Электропривод с асинхронным двигателем
ELECTRIC DRIVE WITH ASYNCHRONOUS MOTOR

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для преобразования электрической энергии в механическую вращательную энергию, в частности для приведения в движение подвижного состава железных дорог.
Общеизвестно, что электроприводы с асинхронным двигателем предназначены для приведения во вращение или движение различных механизмов и оборудования.
Известные электроприводы с асинхронным двигателем обладают высокой надежностью, вследствие высокой надежности и простоты обслуживания асинхронных двигателей. Однако при работе они потребляют значительную мощность на преобразование электрической энергии в механическую.
Известен электропривод с асинхронным двигателем, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии во вращательную механическую энергию [Вольдек, А.И. Электрические машины. Машины переменного тока [Текст]: Учебник для вузов / А.И. Вольдек, В.В. Попов. - СПб.: Питер, 2010. - 350 с.: ил. - С. 134-135].
Электропривод с асинхронным двигателем содержит источник электрической энергии, трехполюсный контактор, асинхронный двигатель и нагрузку. Асинхронный двигатель имеет трехфазную обмотку, соединенную звездой, которая располагается в соответствующих группах пазов, и ротор. Выводы трехфазной обмотки являются входами двигателя, а ротор асинхронного двигателя - его выходом. Выход двигателя соединен с нагрузкой.
Источник электрической энергии содержит три выхода, которые соединены с одноименными тремя входами трехполюсного контактора, выходы которого соединены с одноименными входами двигателя.
Устройство работает следующим образом.
Источник электрической энергии создает переменное трехфазное напряжение, которое поступает на вход трехполюсного контактора. При срабатывании трехполюсного контактора он пропускает ток через свои выводы, и на двигатель подается трехфазное переменное напряжение, вырабатываемое источником электрической энергии. Трехфазное переменное напряжение, приложенное к трехфазной обмотке асинхронного двигателя создает в ней переменный трехфазный ток. Протекая по трехфазной обмотке двигателя переменный трехфазный ток генерирует вращающееся магнитное поле, которое создает на роторе электромагнитный момент и приводит его во вращение. Механическая энергия от ротора асинхронного двигателя передается в нагрузку, где полезно расходуется.
В момент пуска асинхронного двигателя его обмотки обладают низким электрическим сопротивлением, в результате чего увеличивается ток в трехфазной обмотке и возрастают дополнительные потери мощности, что снижает объем энергии, передаваемой от источника напряжения в нагрузку. После разгона до номинальных скоростей, сопротивление обмоток возрастает и дополнительные потери мощности снижаются до приемлемого уровня.
Достоинство известного электропривода с асинхронным двигателем заключается в его надежности, обусловленной простотой его конструкции.
Недостаток известного электропривода с асинхронным двигателем заключается в его низкой энергоэффективности при пуске двигателя, вследствие возрастания дополнительных потерь мощности, вызванных увеличением тока в трехфазной обмотке, что снижает объем энергии, передаваемой от источника напряжения в нагрузку.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является электропривод с асинхронным двигателем, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии во вращательную механическую энергию [Емельянов А.А., Бесклеткин В.В., Авдеев А С, Чернов М.В., Киряков Г.А., Габзалилов Э.Ф. Моделирование системы АИН ШИМ - асинхронный двигатель с переменными в неподвижной системе координат αβ [Текст] // Молодой ученый. - 2015. - №20. - С. 5-16. - URL https://moluch.ru/archive/100/22630/].
Электропривод с асинхронным двигателем содержит систему управления, автономный инвертор напряжения, источник электрической энергии, асинхронный двигатель и нагрузку.
Система управления содержит три источника задающих сигналов и один источник опорного сигнала. Выходы источников задающих сигналов и источника опорного сигнала являются выходами системы управления.
Автономный инвертор напряжения представляет собой статический преобразователь электрической энергии на электронных ключах и имеет четыре управляющих входа, один вход для питания и три силовых вывода. Управляющие входы автономного инвертора напряжения соединены с одноименными выходами системы управления, вход для питания соединен с источником напряжения, а выводы выходного напряжения соединены с входами асинхронного двигателя. Вход для питания автономного инвертора напряжения соединен с выходом источника электрической энергии.
Асинхронный двигатель имеет трехфазную обмотку, соединенную звездой, которая располагается в соответствующих группах пазов, и ротор. Выводы трехфазной обмотки являются входами асинхронного двигателя, а ротор асинхронного двигателя - его выходом.
Силовые выводы автономного инвертора напряжения соединены с входами асинхронного двигателя. Выход асинхронного двигателя соединен с нагрузкой.
Устройство работает следующим образом.
Источник электрической энергии создает постоянное напряжение, которое передается на автономный инвертор напряжения.
В системе управления источники задающих сигналов создают синусоидальные сигналы одинаковой частоты, образующие симметричную систему, где фаза каждого сигнала на 120 градусов отстает от предыдущего сигнала, и на 120 градусов опережает следующий сигнал. Источник опорного сигнала создает переменный пилообразный сигнал, частота которого больше частоты источников задающих сигналов. Эти сигналы поступают в автономный инвертор напряжения, где определяют открытие и закрытие его электронных ключей.
Автономный инвертор напряжения преобразует постоянное напряжение источника электрической энергии в квазисинусоидальное переменное напряжение, которое создает на своих силовых выводах. Преобразование напряжения производится по принципу широтно-импульсной модуляции и определяется параметрами сигналов, вырабатываемых системой управления.
Создаваемое автономным инвертором квазисинусоидальное переменное напряжение, приложенное к трехфазной обмотке асинхронного двигателя, создает в ней переменный трехфазный ток. Протекая по трехфазной обмотке двигателя переменный трехфазный ток генерирует вращающееся магнитное поле, которое создает на роторе электромагнитный момент и приводит его во вращение. Механическая энергия от ротора асинхронного двигателя передается в нагрузку, где полезно расходуется.
В момент пуска асинхронного двигателя система управления создает такие сигналы, благодаря которым напряжение на выходе автономного инвертора напряжения имеет пониженную частоту и амплитуду. Благодаря этому снижается ток в трехфазной обмотке асинхронного двигателя, вследствие чего снижаются дополнительные потери мощности при его пуске.
Поскольку напряжение, подаваемое на трехфазную отмотку асинхронного двигателя, является квазисинусоидальным, то ток в этой обмотке содержит высокочастотные пульсации, частота которых, в основном, определяется частотой пилообразного сигнала от источника опорного напряжения. Высокочастотные пульсации тока вызывают высокочастотные пульсации магнитного поля в асинхронном двигателе, являющиеся источником дополнительных потерь мощности. Из-за наличия дополнительных потерь мощности снижается объем энергии, передаваемой от источника напряжения в нагрузку.
Достоинство известного электропривода с асинхронным двигателем заключается в его повышенной энергоэффективности при пуске двигателя, обусловленной снижением дополнительных потерь мощности благодаря снижению амплитуды и частоты напряжения на входах асинхронного двигателя.
Однако энергоэффективность известного электропривода с асинхронным двигателем остается недостаточной. Это обусловлено наличием дополнительных потерь мощности, вызываемых высокочастотными пульсациями магнитного поля в асинхронном двигателе.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке электропривода с асинхронным двигателем, повышающего энергоэффективность за счет снижения дополнительных потерь мощности, вызываемых высокочастотными пульсациями магнитного поля в асинхронном двигателе.
Для решения поставленной задачи в электроприводе с асинхронным двигателем, содержащем систему управления, содержащую три источника задающих сигналов и один источник опорного сигнала, которые являются ее выходами, автономный инвертор напряжения, который имеет четыре управляющих входа, один вход для питания и три силовых вывода, асинхронный двигатель, который имеет трехфазную обмотку, соединенную звездой, которая располагается в соответствующих группах пазов и образует его три входа, и ротор, который является его выходом, источник электрической энергии и нагрузку, при этом выходы системы управления соединены с управляющими входами автономного инвертора напряжения, выход источника электрической энергии соединен с входом для питания автономного инвертора напряжения, силовые выводы которого соединены с входами асинхронного двигателя, выход которого соединен с нагрузкой, дополнительно введен второй автономный инвертор напряжения, в систему управления дополнительно введен элемент задержки, вход которого соединен с выходом источника опорного сигнала, а выход является пятым выходом системы управления, в асинхронный двигатель дополнительно введена вторая трехфазная обмотка, входы которой являются его четвертым, пятым и шестым входами, при этом первый, второй, третий и пятый выходы системы управления соединены с управляющими входами второго автономного инвертора напряжения, выход источника электрической энергии соединен с входом для питания второго автономного инвертора напряжения, силовые выводы которого соединены с четвертым, пятым и шестым входами асинхронного двигателя, кроме того одноименные фазы двух трехфазных обмоток асинхронного двигателя укладываются в одни группы пазов и имеют идентичную структуру.
Совокупность существенных признаков заявляемого решения отличается от совокупности существенных признаков прототипа введением второго автономного инвертора напряжения, элемента задержки в систему управления и второй трехфазной обмотки в асинхронный двигатель, при этом входы второй трехфазной обмотки асинхронного двигателя являются его четвертым, пятым и шестым входами, вход элемента задержки соединен с выходом источника опорного сигнала, а его выход является пятым выходом системы управления, в управляющие входы второго автономного инвертора напряжения поступают сигналы от первого, второго, третьего и пятого выходов системы управления, а выход источника электрической энергии соединен с входом для питания второго автономного инвертора напряжения, силовые выводы которого соединены с четвертым, пятым и шестым входами асинхронного двигателя, кроме того одноименные фазы двух трехфазных обмоток асинхронного двигателя укладываются в одни группы пазов и имеют идентичную структуру.
Наличие в совокупности существенных признаков заявляемого решения существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».
Дополнительное введение в устройство второго автономного инвертора напряжения, элемента задержки в систему управления и второй трехфазной обмотки в асинхронный двигатель с образованием новых взаимосвязей между ними и другими элементами приводит к повышению энергоэффективности за счет снижения дополнительных потерь мощности, вызываемых высокочастотными пульсациями магнитного поля в асинхронном двигателе.
Это обусловлено тем, что на первый автономный инвертор напряжения пилообразный сигнал от источника опорного напряжения поступает напрямую, а на второй автономный инвертор напряжения - с задержкой в половину периода, благодаря элементу задержки, в результате чего высокочастотные пульсации тока в первой трехфазной обмотке асинхронного двигателя будут находиться в противофазе с высокочастотными пульсациями тока во второй трехфазной обмотке асинхронного двигателя. В следствие этого высокочастотные пульсации магнитного поля от обоих обмоток будут направлены встречно, благодаря чему будут компенсировать друг друга. За счет этого суммарные высокочастотные пульсации магнитного поля будут незначительными, что снизит дополнительные потери мощности в асинхронном двигателе и увеличит относительный объем энергии, передаваемой от источника электрической энергии в нагрузку.
Причинно-следственная связь «введение второго автономного инвертора напряжения, элемента задержки в систему управления и второй трехфазной обмотки в асинхронный двигатель с образованием новых взаимосвязей между ними приводит к повышении энергоэффективности за счет снижения дополнительных потерь мощности в асинхронном двигателе и увеличении относительного объема энергии, передаваемой от источника электрической энергии в нагрузку» не обнаружена в уровне техники и явным образом не следует из него, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Наличие новой причинно-следственной связи «отличительные существенные признаки - новый результат» свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
Электропривод с асинхронным двигателем представлен на фигурах, подтверждающих его работоспособность и «промышленную применимость».
На фиг. 1 представлена схема электропривода с асинхронным двигателем.
На фиг. 2 представлены осциллограммы тока в первых фазах трехфазных обмоток асинхронного двигателя.
Электропривод с асинхронным двигателем основан на преобразовании электрической энергии во вращательную механическую энергию.
Электропривод с асинхронным двигателем содержит систему управления 1, два автономных инвертора напряжения 5 и 6, источник электрической энергии 7, асинхронный двигатель 8 и нагрузку 17.
Система управления 1 содержит три источника задающих сигналов 2, один источник опорного сигнала 3 и элемент задержки 4. Выходы трех источников задающих сигналов 2 являются первым, вторым и третьим выходами системы управления 1, выход источника опорного сигнала 3 является ее четвертым выходом, а выход элемента задержки 4 - ее пятым выходом. Выход источника опорного сигнала 3 также соединен с входом элемента задержки 4.
Первый 5 и второй 6 автономные инверторы напряжения являются статическими преобразователями электрической энергии на электронных ключах и имеют по четыре управляющих входа, по одному входу для питания и по три силовых вывода. Управляющие входы первого автономного инвертора напряжения 5 соединены с первым, вторым, третьим и четвертым выходами системы управления 1, а управляющие входы второго автономного инвертора напряжения 6 соединены с первым, вторым, третьим и пятым выходами системы управления 1.
Входы для питания первого 5 и второго 6 автономных инверторов напряжения соединены с выходом источника электрической энергии 7.
Асинхронный двигатель 8 имеет две трехфазных обмотки, соединенных звездой, которые располагаются в соответствующих группах пазов 9, и ротор 16. При этом первая фаза 10 первой обмотки является первым входом асинхронного двигателя 8, вторая фаза 11 первой обмотки - его вторым входом, третья фаза 12 первой обмотки - его третьим входом, первая фаза 13 второй обмотки - его четвертым входом, вторая фаза 14 второй обмотки - его пятым входом, а третья фаза 13 второй обмотки - его шестым входом. Одноименные фазы 10 и 13, 11 и 14, 12 и 15 двух трехфазных обмоток укладываются в одни группы пазов 9 и имеют идентичную структуру. Ротор 16 является выходом асинхронного двигателя 8.
Силовые выводы первого автономного инвертора напряжения 5 соединены с первым, вторым и третьим входами асинхронного двигателя 8, а силовые выводы второго автономного инвертора напряжения 6 соединены с четвертым, пятым и шестым входами асинхронного двигателя 8.
Выход асинхронного двигателя 8 соединен с нагрузкой 17.
Устройство работает следующим образом.
Источник электрической энергии 7 создает постоянное напряжение, которое передается на первый 5 и второй 6 автономные инверторы напряжения.
В системе управления 1 источники задающих сигналов 2 создают синусоидальные сигналы одинаковой частоты, образующие симметричную систему, где фаза каждого сигнала на 120 градусов отстает от предыдущего сигнала, и на 120 градусов опережает следующий сигнал. Источник опорного сигнала 3 создает переменный пилообразный сигнал, частота которого больше частоты источников задающих сигналов 2. Элемент задержки 4 преобразует пилообразный сигнал от источника опорного сигнала 3 путем его задержки во времени на величину, равную половине периода этого сигнала.
Сигналы с выходов системы управления 1 поступают в первый 5 и второй 6 автономные инверторы напряжения, где определяют открытие и закрытие их электронных ключей.
Первый 5 и второй 6 автономные инверторы напряжения являются идентичными и преобразуют постоянное напряжение источника электрической энергии 7 в квазисинусоидальное переменное напряжение, которое создают на своих силовых выводах. Преобразование напряжения производится по принципу широтно-импульсной модуляции и определяется параметрами сигналов, вырабатываемых системой управления 1.
Создаваемое автономными инверторами напряжения 5 и 6 квазисинусоидальное переменное напряжение, приложенное к соответствующей трехфазной обмотке асинхронного двигателя 8, создает в ней переменный трехфазный ток. Протекая по каждой трехфазной обмотке асинхронного двигателя 8, переменный трехфазный ток генерирует вращающееся магнитное поле, которое создает на роторе 16 электромагнитный момент и приводит его во вращение. Механическая энергия от ротора асинхронного двигателя 16 передается в нагрузку 17, где полезно расходуется.
В момент пуска асинхронного двигателя 8 система управления 1 создает такие сигналы, благодаря которым напряжение на выходе автономных инверторов напряжения 5 и 6 имеет пониженную частоту и амплитуду. Благодаря этому снижается ток в трехфазных обмотках асинхронного двигателя 8, вследствие чего снижаются дополнительные потери мощности при его пуске.
Поскольку напряжение, подаваемое на трехфазные обмотки асинхронного двигателя 8, является квазисинусоидальным, то ток в этих обмотках содержит высокочастотные пульсации, частота которых, в основном, определяется частотой пилообразного сигнала от источника опорного напряжения 3. Высокочастотные пульсации тока вызывают высокочастотные пульсации магнитного поля в асинхронном двигателе 8, являющиеся источником дополнительных потерь мощности. Поскольку на первый автономный инвертор напряжения 5 пилообразный сигнал от источника опорного напряжения 3 поступает напрямую, а на второй автономный инвертор напряжения 6 - с задержкой в половину периода, благодаря элементу задержки 4, то высокочастотные пульсации тока в первой трехфазной обмотке асинхронного двигателя 8 будут находиться в противофазе с высокочастотными пульсациями тока во второй трехфазной обмотке асинхронного двигателя 8. В результате высокочастотные пульсации магнитного поля от обоих обмоток будут направлены встречно, благодаря чему будут компенсировать друг друга. Вследствие этого суммарные высокочастотные пульсации магнитного поля будут незначительными, что снизит дополнительные потери мощности в асинхронном двигателе 8 и увеличит относительный объем энергии, передаваемой от источника электрической энергии 7 в нагрузку 17. Это свидетельствует о небольшом потреблении энергии электроприводом с асинхронным двигателем и, как следствие, высокой энергоэффективности.
В лабораториях кафедры «Транспорт железных дорог» ДВГУПС проводилось математическое моделирование заявляемого устройства и прототипа, которое показало, что кпд заявляемого электропривода с асинхронным двигателем выше на 0,6%-1,3% по сравнению с прототипом, при различных режимах регулирования.
Использование заявляемого устройства повышает его энергоэффективность за счет снижения дополнительных потерь мощности в асинхронном двигателе, благодаря взаимной компенсации пульсаций магнитного поля от двух трехфазных обмоток.