Асинхронный двигатель

 

Использование: в асинхронных электроприводах различных механизмов. Сущность: в асинхронном электродвигателе часть стержней с четными номерами 2, 4, 6, ... 32 ротора 65 соединены с обеих сторон короткозамыкающими кольцами 66, 67, а другая часть стержней с нечетными номерами 1, 3, 5, ..., 64 образует двухфазную часть обмотки ротора. Общий зажим 77 этой части обмотки подключен к входам 80, 81 блока 72 управления и к первому выходу 82 импульсного регулятора 71. Другие зажимы 69, 70 этой части обмотки подключены к входным зажимам выпрямителя 68. К зажимам 75, 76 последнего подключены молекулярный накопительный конденсатор 74 и блок регулирования 73. Импульсный регулятор 71 включает в себя импульсный генератор 83, импульсный трансформатор 84 и фазные тиристорные коммутаторы 85, 86. Блок управления и блок регулирования фиксируют текущие значения напряжения в фазах обмотки ротора. Алгоритм управления тиристорами импульсного генератора и коммутаторами импульсного регулятора обеспечивает перераспределение энергии из молекулярного накопительного конденсатора в конденсатор сброса с последующим перераспределением ее в фазы фазной части обмотки ротора, что позволит компенсировать реактивную энергию и повысить cosΨ ротора и cosϕ статора, момент и КПД двигателя. 11 ил.

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в асинхронных электроприводах различных механизмов.

Одним из основных технико-экономических показателей целесообразности применения той или иной схемы асинхронного электропривода является коэффициент мощности, по которому можно определить, какая доля от полной потребляемой энергии идет на выполнение полезной работы. Поэтому одной из важнейших является проблема компенсации реактивной энергии, потребляемой асинхронным двигателем.

Известно, что основными системами с компенсацией реактивной энергии являются системы с конденсаторными батареями в сети питания обмотки статора асинхронного двигателя /см. например, книгу М.М.Соколова и П.Е.Данилова "Асинхронный электропривод с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора". М. Энергия, 1972, с. 7 9/.

Однако такие системы, во-первых, весьма громоздки, во-вторых, регулируются, как правило, ступенчато. И в-третьих, что является самым главным, такие системы компенсации реактивной энергии затруднительно использовать в устройствах с высоковольтными электрическими машинами напряжением 6, 10 кВ и больше, так как на такие высокие напряжения трудно выполнить регулируемые источники реактивной мощности.

Наиболее близким аналогом к данному изобретению является асинхронный двигатель, содержащий ротор со стержневой обмоткой, одни из стержней которой, равномерно расположенные по окружности ротора, соединены с обеих сторон короткозамыкающими кольцами, другие равномерно расположенные по окружности ротора стержни образуют K- фазную часть обмотки ротора, жестко закрепленные на роторе блок полупроводниковых элементов, выполненный в виде неуправляемого выпрямителя, К зажимов переменного тока которого подключены к одним зажимам К-фазной части обмотки ротора, импульсный регулятор и блок управления, блок питания, бесконтактный трехфазный датчик частоты вращения. Блок полупроводниковых приборов выполнен в виде встречно- параллельно включенных диодов /авторское свидетельство СССР N 1661947, кл.H02P 1/28, 1991/.

Блок питания выполнен в виде трех тороидальных трансформаторов тока, первичной обмоткой каждого из которых является один стержень из числа mk полностью короткозамкнутых стержней, расположенных каждый по окружности ротора через n±l/3 стержней от другого. Свободные зажимы их вторичных обмоток, соединенных в звезду, образуют выходы блока питания, где: m число, кратное трем, К 1,2,3, n-m/m; l 0 при n кратном трем; l 1 при n не кратном трем.

Силовые входы импульсного регулятора подключены к блоку полупроводниковых элементов, а управляющие его входы к блоку управления.

Бесконтактный трехфазный датчик частоты вращения ротора составлен из трех тороидальных трансформаторов тока, первичной обмоткой каждого из которых является один стержень из числа mk полностью короткозамкнутых стержней, расположенный каждый по окружности ротора через n±l/3 стержней от другого, а зажимы вторичных обмоток указанных трансформаторов тока образуют выходные выводы бесконтактного трехфазного датчика частоты вращения ротора.

Это позволяет повысить КПД электропривода путем увеличения среднего момента двигателя.

Однако регулирования и компенсации реактивной /индуктивной/ энергии, потребляемой асинхронным двигателем, данная схема не обеспечивает ввиду схемной специфики, не предусматривающей накопления энергии и возврата ее в сеть.

Технический результат заключается в снижении потерь энергии путем емкостной компенсации ее реактивной составляющей, в результате чего повышаются cosΨ ротора, cosϕ статора, момент и КПД двигателя.

Указанный технический результат достигается тем, что в асинхронном двигателе, содержащем ротор со стержневой обмоткой, одни из стержней которой, равномерно расположенные по окружности ротора, соединены с обеих сторон короткозамыкающими кольцами, другие, равномерно расположенные по окружности ротора стержни, образуют К- фазную часть обмотки ротора, жестко закрепленные на роторе блок полупроводниковых элементов, выполненный в виде неуправляемого выпрямителя, К зажимов переменного тока которого подключены к одним зажимам К-фазной части обмотки ротора, импульсный регулятор и блок управления, дополнительно на роторе жестко закреплен блок регулирования и установлен молекулярный накопительный конденсатор, подключенный к зажимам постоянного тока К-фазного неуправляемого выпрямителя, общий зажим K-фазной части обмотки, образованный другими зажимами всех ее фаз, подключен к первым К-входам блока управления и к первому выходу импульсного регулятора, включающего в себя импульсный генератор, импульсный повышающий трансформатор и К фазных коммутаторов, силовой выход каждого из которых является соответствующим К-м выходом импульсного регулятора и подключен каждый к соответствующей фазе К-фазной части обмотки ротора, а первыми двумя силовыми входами импульсного регулятора являются входы импульсного генератора, включающего в себя конденсатор сброса энергии, подключенный одной обкладкой к общему аноду выпрямителя, к общему катоду которого подключен второй силовой вход импульсного генератора, которым является анод первого тиристора, подключенного катодом через дроссель к другой обкладке конденсатора сброса, которая, кроме того, подключена к аноду второго тиристора, к которому встречно-параллельно подключен диод, а катодом второй тиристор подключен к концу первичной обмотки импульсного трансформатора, началом подключенный к первой обкладке конденсатора сброса, причем вторичная сторона импульсного трансформатора состоит из К однофазных обмоток, концы каждой из которых объединены и являются первым входом импульсного регулятора, а началом каждая из них подключена к входу соответствующего фазного коммутатора, образованному каждый соответствующим общим зажимом встречно-параллельно соединенных тиристоров, другой общий зажим в каждой паре которых является силовым выходом соответствующего коммутатора, а управляющие входы каждого из последних являются входами импульсного регулятора и подключены к соответствующим выходам блока управления, причем управляющие входы однонаправленных тиристоров, объединенных в каждом коммутаторе своим анодом с началом соответствующей вторичной обмотки импульсного трансформатора, являются другими К входами импульсного регулятора, а управляющие входы противоположных тиристоров являются третьими К его входами, при этом блок управления содержит К датчиков напряжения, каждый из которых своим входом подключен к соответствующей фазе К-фазной части обмотки ротора, а выходом к соответствующему фазному компаратору, прямой выход каждого из которых подключен к первому входу соответствующего логического элемента И первого логического блока, а инверсный выход к первому входу каждого аналогичного элемента И другого логического блока, другие входы каждого логического элемента И в каждом из указанных блоков объединены между собой, и объединенные зажимы подключены каждый к входу соответствующего усилителя-формирователя в первом усилителе импульсов, выход каждого из которых подключен к соответствующему входу из числа последних двух импульсного регулятора, которыми являются управляющие входы первого и второго тиристоров импульсного генератора, а третьи входы всех логических элементов И в блоке управления объединены между собой и являются вторым его входом, выход каждого логического элемента И подключен к соответствующему усилителю-формирователю соответственно во втором и третьем блоках усилителей импульсов, выходы каждого из которых подключены соответственно к вторым К и к третьим К управляющим входам импульсного регулятора, а блок регулирования включает в себя датчик напряжения, подключенный входами к зажимам молекулярного накопительного конденсатора, а выходами к нелинейному блоку, выход которого подключен к входу релейного элемента и к входу преобразователя "напряжение-частота", выход которого подключен к селектору-формирователю импульсов, выходы которого являются выходами блока регулирования и подключены каждый к соответствующему входу первого блока усилителей в блоке управления, второй вход которого подключен к выходу релейного элемента блока регулирования.

Новым по сравнению с прототипом является то, что, во-первых, дополнительно на роторе жестко закреплен блок регулирования и установлен молекулярный накопительный конденсатор, подключенный к зажимам постоянного тока К-фазного неуправляемого выпрямителя.

Во-вторых, общий зажим К-фазной части обмотки, образованный другими зажимами всех ее фаз, подключен к первым К входам блока управления и к первому выходу импульсного регулятора.

В-третьих, импульсный генератор включает в себя, в отличие от прототипа, импульсный генератор, импульсный повышающий трансформатор и К фазных тиристорных коммутаторов с их связями между собой.

В-четвертых, импульсный генератор включает в себя конденсатор сброса энергии, два тиристора, обратный диод с их внутренними связями между собой.

Кроме того, блок управления включает в себя в отличие от прототипа К датчиков напряжения, К компараторов, 2К логических элементов И, 2К+2 усилителей-формирователей импульсов с внутренними связями перечисленных узлов между собой.

Кроме того, блок регулирования, входами подключенный к накопительному конденсатору, а выходами к блоку управления, содержит датчик напряжения, блок нелинейности, релейный элемент, преобразователь "напряжение-частота", селектор-формирователь импульсов с их связями между собой.

Это позволяет регулировать коэффициент мощности электропривода путем накопления энергии в накопительном конденсаторе, ее перераспределением на конденсатор сброса и дальнейшим сбросом через импульсный трансформатор и фазные коммутаторы в К-фазную часть обмотки ротора двигателя в моменты времени, обеспечивающие предъявляемые требования к углам j ротора и v статора.

Сказанное позволяет сделать вывод, что заявляемое техническое решение обладает критерием изобретения "новизна", а также то, что между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь.

На фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого асинхронного двигателя.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема выпрямителя, импульсного регулятора, блоков управления и регулирования с внутренними связями их отдельных узлов между собой.

На фиг.3 приведена элементарная схема замещения асинхронного двигателя.

На фиг. 4 приведена векторная диаграмма приведенного асинхронного двигателя без дополнительных конденсаторов.

На фиг. 5 приведена векторная диаграмма приведенного асинхронного двигателя с новыми элементами /емкостными/ схемы.

На фиг.6 приведен вариант трехфазного выполнения стержневой обмотки ротора с регулируемой компенсацией реактивной энергии и неравномерным шагом обмотки мощного асинхронного двигателя.

На фиг. 7 приведена эпюра напряжений вращающегося магнитного поля двухфазной части обмотки ротора.

На фиг. 8 представлен возможный вариант алгоритма управления импульсным регулятором.

На фиг. 9 приведена диаграмма импульсов в элементах предлагаемой схемы устройства.

На фиг.10 представлена схема усилителя-формирователя импульсов для одного тиристора в блоке управления.

На фиг.11 приведена схема селектора-формирователя импульсов в блоке регулирования.

Рассмотрим работу предлагаемого двигателя на конкретном примере, а именно: на базе серийного мощного асинхронного двигателя мощностью 2 МВт, изготовляемого АООТ "Электросила" и имеющего следующие технические данные: общее число стержней ротора 64 число стержней, замкнутых на короткозамыкающие кольца 32 число пазов ротора z 64 число пар полюсов р 2 шаг обмотки Далее, число фаз К-фазной части обмотки ротора определяется двумя критериями: во-первых, требованием технологичности, то есть минимумом монтажных переключений /пересечений и пересоединений/, и во-вторых, короткозамкнутая и фазная части обмотки ротора должны создавать синхронно вращающиеся в зазоре магнитодвижущие силы.

Для двигателей малой и средней мощности наиболее простым технологическим решением является вариант, когда К 3 и требование минимума обмоточных пересоединений является менее критичным, так как указанные соединения в них выполнены гибкими проводами.

В мощных двигателях со стержневыми обмотками ротора критерий технологичности является важнейшим.

При этом, если число фаз К регулируемой части обмотки ротора равно трем, то для выполнения требования минимума обмоточных пересечений шаг обмотки по окружности ротора будет существенно неравномерным /фиг.6/, что приведет к возникновению пульсирующего магнитного поля этой части обмотки ротора, то есть к невыполнению второго важного критерия исполнения регулируемой части обмотки ротора.

При выполнении регулируемой части обмотки ротора мощного двигателя в двухфазном варианте, то есть, когда К 2, создаются синхронно вращающиеся поля обеих частей обмотки ротора /фиг.7/ при минимуме технологических переключений.

Таким образом, оба критерия выполняются и поэтому для рассматриваемого примера число фаз выбираем равным двум, то есть К 2.

Тогда асинхронный двигатель содержит /фиг.1/ 64-стержневую обмотку ротора 65 /с 1 по 64 стержни/. Одни из них 32 стержня /под четными номерами: 2, 4, 6, 64/, равномерно расположенные по окружности ротора 65, соединены с обеих сторон короткозамыкающими кольцами 66, 67. Другие 32 стержня /64-32= 32, под нечетными номерами 1, 3, 5, 63/, равномерно расположенные по окружности ротора 65, образуют двухфазную часть обмотки ротора 65.

Кроме того, асинхронный двигатель содержит жестко закрепленные на роторе 65 блок полупроводниковых элементов, выполненный в виде неуправляемого выпрямителя 68, два зажима переменного тока 69, 70 которого подключены к одним зажимам 69, 70 двухфазной части обмотки ротора 65, импульсный регулятор 71 и блок управления 72.

Дополнительно на роторе 65 жестко закреплен блок 73 регулирования и установлен молекулярный накопительный конденсатор 74, подключенный к зажимам 75, 76 постоянного тока двухфазного неуправляемого выпрямителя 68. Общий зажим 77 двухфазной части обмотки, образованный другими зажимами 78, 79 /x, y/ всех ее фаз, подключен к первым двум входам 80, 81 блока управления 72 и к первому выходу 82 импульсного регулятора 71. Импульсный регулятор 71 включает в себя /фиг.2/ импульсный генератор 83, импульсный повышающий трансформатор 84 и два фазных коммутатора 85, 86. Силовой выход 87 /88/ каждого из последних является, соответственно, первым и вторым выходом 87/88/ импульсного регулятора 71 и подключен каждый к соответствующей фазе /выход 87 к фазе "В", выход 88 к фазе "А"/ двухфазной части обмотки ротора 65. Первыми двумя силовыми входами 89, 90 импульсного регулятора 71 являются входы 89, 90 импульсного регулятора 83. Последний включает в себя конденсатор 91 сброса энергии, подключенный одной обкладкой /зажимом 92/ к общему аноду 76 выпрямителя 68, к общему катоду 75 которого подключен второй силовой вход 89 импульсного генератора 83. Силовым выходом 89 импульсного генератора 83 является анод первого тиристора 93, подключенного катодом через дроссель 94 к другой обкладке 95 конденсатора 91 сброса. Последняя, кроме того, подключена к аноду второго тиристора 96, к которому встречно-параллельно подключен диод 97. Катодом 98 второй тиристор 96 подключен к концу 98 первичной обмотки 99 импульсного трансформатора 84, началом 100 подключенной к первой обкладке /зажим 92/ конденсатора 91 сброса. Вторичная сторона импульсного трансформатора 84 состоит из двух однофазных обмоток 101 и 102, концы 103 и 104 каждой из которых объединены и являются первым входом 82 импульсного регулятора 71. А началом, соответственно, 105 и 106, каждая из них подключена к входу /одноименному/ 105 и 106 соответствующего фазного коммутатора 85, 86, образованному каждый соответствующим общим зажимом 105 и 106 встречно-параллельно соединенных тиристоров 107, 108 и 109, 110. Другой общий зажим 87 /88/ в каждой паре этих тиристоров 107, 108 /109, 110/ является силовым выходом 87 /88/ соответствующего коммутатора 85 /86/. Управляющие входы 111, 112 /113, 114/ каждого из последних являются одноименными входами импульсного регулятора 71 и подключены к соответствующим /одноименным/ выходам блока 72 управления. При этом управляющие входы 111, 113 однонаправленных тиристоров 107, 109, объединенных в каждом коммутаторе 85, 86 своим анодом с началом 105, 106 соответствующей вторичной обмотки 101, 102 импульсного трансформатора 84, являются другими двумя входами 105, 106 импульсного регулятора 71. А управляющие входы 113, 114 противоположных тиристоров 108, 110 являются третьими двумя его входами 112, 114.

Блок управления 72 содержит два датчика 115, 116 напряжения, каждый из которых своим входом 69 /70/ подключен к соответствующей фазе А /В/ двухфазной части обмотки ротора 65, а выходом 117 /118/ к соответствующему фазному компаратору 119 /120/. Прямой выход 121 /122/ каждого из последних подключен к первому входу 121 /122/ соответствующего логического элемента И 123 /124/ первого логического блока 125. А инверсный выход 126 /127/ к первому входу 126 /127/каждого аналогичного элемента 128 /129/ другого логического блока 130. Другие входы /131, 132 в блоке 125 и 133, 134 в блоке 130/ каждого логического элемента И в каждом из указанных блоков объединены между собой и объединенные зажимы, соответственно 135 и 136, подключены каждый к входу соответствующего усилителя-формирователя 137 /138/ в первом усилителе импульсов 139. Выход 140 /141/ каждого из последних подключен к соответствующему входу 140 /141/ из числа последних двух импульсного регулятора 71, которыми являются управляющие входы 140, 141 первого 93 и второго 96 тиристоров импульсного генератора 83. Третьи входы 142, 143, 144 и 145 всех логических элементов 123, 124, 128, 129 И в блоке 72 управления объединены между собой и являются вторым его входом 146.

Выход 147 /148, 149, 150/ каждого логического элемента 123 /124, 128, 129/ И подключен к соответствующему усилителю-формирователю 151 /152, 153, 154/ соответственно во втором 155 и в третьем 156 блоках усилителей импульсов. Выходы 111, 112, 113 и 114 каждого из последних подключены соответственно к вторым двум 111, 112 и к третьим двум 113, 114 управляющим входам импульсного регулятора 71.

Блок 73 регулирования включает в себя датчик 157 напряжения, подключенный входами 158, 159 к зажимам, соответственно, 75 и 90 молекулярного накопительного конденсатора 74, а выходом 160 к нелинейному блоку 161, выход 162 которого подключен к входу 162 релейного элемента 163 и к входу 162 преобразователя 164 "напряжение-частота". Выход 165 последнего подключен к селектору-формирователю 166 импульсов, выходы 167, 168 которого являются выходами 167, 168 блока 73 регулирования и подключены каждый к соответствующему входу 135 /136/ первого блока 139 усилителей в блоке 72 управления. Второй вход 146 блока 72 управления подключен к выходу 169 релейного элемента 163 блока 73 регулирования.

Схема датчиков 115, 116, 157 напряжения /фиг.2/ общеизвестна и приведена, например, в "Справочнике по средствам автоматики", под ред. В.Э.Низе и И.В.Антика. М. Энергоатомиздат, 1983, с.279 284.

Схема компараторов 119, 120 может быть выполнена с помощью выпускаемого промышленностью субблока вспомогательных функций Ф5206 (БМР1) (ОКП-42-2962-0040-07).

Схема усилителей-формирователей 151, 152, 153, 154 и 138, 137 приведена на фиг.10 и может быть выполнена на стандартных элементах, перечень которых приведен на фиг.10.

Схема нелинейного блока 161 общеизвестна и может быть использована из книги "Основы автоматического управления" под ред.В.С.Пугачева. "Гос.изд-во физико-математической литературы". М. 1963, с.74 95.

Схема релейного элемента 163 может быть выполнена на компараторе Кр 521СА3, Кр 521СА1 и т.п.

Схема преобразователя 164 "напряжение-частота" может быть использована из "Справочника по автоматизированному электроприводу" под ред. В.А.Елисеева и А.В.Шинянского. М. Энергоатомиздат, 1983, с.127, табл.3.41.

Схема селектора-формирователя 166 приведена на фиг.11, в которой использована стандартная микросхема типа К 155АГ3.

В качестве молекулярного накопительного конденсатора 74 могут быть использованы емкостные молекулярные накопители энергии, данные о которых приведены в ж. "Электричество", 1989, N 3, Радионов Н.И. и др. "О передаче электрической энергии из молекулярного накопителя в индуктивный". Указанные накопители критичны к знакопеременному напряжению, так как снижается срок их службы, где они установлены, но не знакопеременное напряжение.

Такого рода молекулярные накопители электрической энергии типа МИГ-18, имея следующие параметры: масса 32 кг, V 450 В, С 0,6 Ф и габариты: диаметр d 226 мм, высота h 350 мм, обладают достаточно высоким удельным показателем:
Прежде, чем рассматривать работу предлагаемого устройства, обратимся к известной в литературе /см. например, книгу М.П. Костенко и Л.М.Пиотровского "Электрические машины", ч. II, М-Л. Госэнергоиздат, 1953, с.218, 430/ элементарной схеме замещения асинхронного двигателя /фиг.3/ и векторным диаграммам его: классический /фиг.4/ и /фиг.5/ с учетом введенных в схему конденсаторов: накопительного 74 с емкостью C_нак и конденсатора сброса 91 с емкостью C_сбр /фиг.2/.

На фиг.4 представлена векторная диаграмма приведенного асинхронного двигателя без дополнительных емкостей в цепи ротора двигателя. Из диаграммы видно, что угол ϕ₁ между вектором тока статора I₁ и вектором питающего напряжения V₁ в конечном итоге зависит от угла Ψ₂ между вектором приведенного тока ротора и вектором приведенной ЭДС ротора Чем меньше угол Ψ₂, тем меньше угол ϕ₁, тем выше cosϕ₁, то есть коэффициент мощности двигателя. Поскольку реактивное сопротивление обмотки ротора является индуктивным, то скомпенсировать его действие можно емкостной составляющей. При введении в цепь ротора емкости векторная диаграмма /фиг.6/ меняется за счет изменения реактивной составляющей вектора напряжения в цепи ротора. Поскольку емкостная составляющая его направлена встречно индуктивно, то результирующий вектор реактивной составляющей напряжения уменьшается. В результате уменьшается угол Ψ₂, а соответственно, и угол ϕ₁. Следовательно, увеличивается cosϕ₁. При этом приведенная реактивная составляющая тока ротора независимо от скольжения может иметь положительный, отрицательный знак или равна нулю, что вытекает из известного выражения /см. книгу М.П.Костенко и Л.М.Пиотровского "Электрические машины", ч.II, с.427, М-Л. Госэнергоиздат 1958/:

Таким образом, емкостная компенсация по предлагаемой схеме может быть осуществлена в любом режиме работы двигателя.

При включении двигателя в питающую сеть процесс его пуска характеризуется, как обычно, индуктивными параметрами. В обмотках ротора появляется ЭДС. При этом ЭДС двухфазной части обмотки ротора, которая выпрямляется в выпрямителе 68, поступает на конденсатор 74 и конденсатор 74 заряжается до напряжения V₇₄ с полярностью +, -, указанной на фиг.2 без скобок. При достижении напряжением на конденсаторе 74 заданной величины включается система компенсации реактивной энергии.

Энергия, которая накопится на накопительном конденсаторе 74, определяется по формуле:

где U_d выпрямленное напряжение цепи ротора, которое зависит от режима работы двигателя;
C₇₄ максимальная величина емкости для выбранного напряжения питания, которую можно разместить в отведенных габаритах.

Эта максимально выбранная величина емкости определяется уровнем развития техники на данном этапе, а именно: максимально возможным удельным показателем C/V, где C емкость, Ф; V объем, дм³.

Итак, напряжение накопительного конденсатора 74, определяемое как частотой вращения ротора АД и соответственно напряжением на двухфазной части обмотки ротора, так и величиной нагрузки P₂ на валу двигателя, фиксируется датчиком напряжения 157 /фиг.2/.

Аналоговый сигнал напряжения с датчика 157 поступает на вход 160 нелинейного блока 161, который преобразует этот сигнал в другое напряжение U_fинв по нелинейной характеристике, один из вариантов которой приведен на фиг.8. Из фиг.8 видно, что при включении питания на двигатель напряжение на накопительном конденсаторе 74 U₇₄ максимально, что соответствует минимальному значению cosϕ. Это соответствует точке 2 на рассматриваемой характеристике.

С выхода 162 нелинейного блока 161 сигнал напряжения U_fинв поступает на одноименный вход преобразователя 164 "напряжение-частота", в котором это напряжение преобразуется в частоту. На выходе преобразователя 164 появляется фиксированная частота f₁₆₅, характерная для работы преобразователя в точке 2 нелинейной характеристики. Этот сигнал f₁₆₅ поступает на вход 165 селектора-формирователя 166, где этот сигнал разделяется на противофазные импульсы с максимальной частотой f_инв. При этом формируется также определенная длительность этих импульсов, необходимая для отпирания тиристоров 93 и 96 в импульсном генераторе 83. С выходов 167 и 168 селектора-формирователя 166 импульсы частоты f₁₆₇ и f₁₆₈ поступают, соответственно, на входы 135 и 136 усилителей 167 и 168 формирователей 137 и 138. С выходов усилителей импульсы U₁₄₀ ≡ f₁₆₇ и U₁₄₁ ≡ f₁₆₈ поступают на управляющие электроды тиристоров 93 и 96. В результате импульсный генератор 63 начинает работать. Поскольку импульсы f₁₆₇ и f₁₆₈ являются противофазными, то первым откроется тиристор 93. В результате энергия от накопительного конденсатора 74 поступает в конденсатор сброса 91 по цепи: конденсатор 74 зажимы 75, 89 тиристор 93 дроссель 94 зажим 95 конденсатор 91 сброса зажимы 92, 90 конденсатор 74. По окончании заряда конденсатора 91 до полярности +, -, указанной на фиг.2 без скобок, тиристор 93 закрывается.

Величина емкости C₉₁ конденсатора 91 может быть выбрана значительно меньшей, чем величина емкости C₇₄ молекулярного накопительного конденсатора 74 (C₇₄ > C₉₁), так как отбор энергии от конденсатора 91 производится на частоте, выбранной разработчиком. Выбор максимального значения этой частоты производится путем поиска оптимума, а именно: с точки зрения максимального отбора энергии необходимо выбрать максимально возможную частоту, что следует из выражения:
W_сбр.=2πf_сбр·C_сбр·U²_пит,,
где W_сбр энергия, накапливаемая на конденсаторе сброса;
C_сбр емкость конденсатора сброса;
U_пит питающее напряжение;
f_сбр частота, с которой происходит сброс энергии.

Таким образом, при выбранных величинах емкости и напряжения энергия сброса пропорциональна частоте сброса. Поэтому, чем выше f_сбр, тем больше W_сбр. Но увеличение частоты ведет к увеличению потерь, прежде всего, в конденсаторе сброса и во всех элементах схемы, работающих на этой повышенной частоте. Поэтому оптимум определяется из соображений максимума частоты сброса и максимума энергии сброса при допустимом уровне потерь в элементах схемы.

Итак, закрывшийся тиристор 93 поддерживается в этом состоянии положительным потенциалом конденсатора 91. А тиристор 96, получая импульс управления по каналу 141, открывается, в результате чего происходит перезаряд конденсатора 91 сброса по цепи: конденсатор 91 зажим 95 -тиристор 96 - первичная обмотка 99 импульсного трансформатора 84 зажимы 92, 90 -конденсатор 74. Ток перезаряда конденсатора 91, проходя по первичной обмотке трансформатора 84, создает первую полуволну ЭДС в его вторичных обмотках 101, 102. Вторая полуволна этих ЭДС образуется при последующем перезаряде конденсатора 91 до первоначальной полярности по цепи: конденсатор 91 зажимы 92, 100 первичная обмотка 99 трансформатора 84 диод 97 зажим 95 - конденсатор 91.

Теперь рассмотрим процессы, которые происходят при этом в блоке управления 72. При включении питания на двигатель по входам 69, 80, 70, 81 поступают сигналы напряжения на датчики, соответственно, 115, 116.

С выходов 117, 118 указанных датчиков синусоидальные сигналы, пропорциональные ЭДС ротора, поступают на компараторы, соответственно, 119, 120, в которых они преобразуются в противофазные прямоугольные сигналы /см. фиг.9/. При этом частота этих сигналов равна частоте тока в роторе f_р и длительность, следовательно, равна полупериоду тока ротора (где T_р=1/f_р). Эти большой длительности импульсы с прямых выходов 121, 122 и инверсных выходов 126, 127 поступают на одноименные выходы логических элементов И, соответственно 123, 124, 128, 129. Одновременно на входы 131, 132 и 133, 134 логических блоков И 125 и 127 с выходов 167, 168 /через зажимы 135, 136/ блока регулирования 73 поступают высокочастотные импульсы от селектора-формирователя 166 импульсов, а на входы 142, 143, 144, 145 по каналу 146 разрешающий сигнал релейного элемента 163 /с его выхода 169/.

В результате на выходах 147, 148, 149, 150 логических элементов И 123, 124, 128, 129 формируются сигналы напряжения, которые, будучи усиленными в усилителях-формирователях 151, 152, 153, 154 импульсов, являются управляющими сигналами для тиристоров 109, 107, 108, 110 компараторов 85 и 86 импульсного регулятора 71.

При появлении напряжения на вторичных обмотках 101, 102 импульсного трансформатора 84 и наличии управляющих импульсов на тиристорах 107, 109, 108, 110 последние открываются и происходит "раздача" емкостной энергии в каждую фазу обмотки ротора, соответственно, с коммутатора 86 в фазу А, с коммутатора 85 в фазу В.

Импульсы напряжения с вторичных обмоток импульсного трансформатора так синхронизированы с напряжением фаз обмотки ротора, что через коммутаторы 85, 86 они поступают с самого начала каждого полупериода каждой фазы А, В ротора, формируя первую гармоническую фазу тока с углом Ψ₂ ≈ 0 в любом режиме работы машины. Возможен режим Ψ₂ < 0 а, следовательно, и ϕ₁ < 0 с отдачей реактивной энергии в первичную сеть.

Допустим, что далее напряжение на накопительном конденсаторе 74 уменьшилось по нелинейной характеристике /фиг.8/ в связи с изменением режима работы двигателя от пуска /точка 2/ до номинального режима /точка 1/. В результате уменьшилось и напряжение на выходе 160 датчика 157. Тогда на выходе 162 нелинейного блока 161 формируется другое значение напряжения U_fинв, например, соответствующее точке α на нелинейной характеристике фиг.8, которое меньше значения этого напряжения, соответствующего точке 2. Регулирование будет идти до точки 1, в которой работа устройства прекратится, так как отключится релейный элемент 163, отстроенный на граничные условия /см. фиг.7/. Последние определяются, с одной стороны, ограничением по максимальной частоте f_инв, а с другой максимальным значением отрегулированного cosϕ₁, что будет соответствовать номинальному режиму работы двигателя с cosϕ₁ ≈ 1, что означает, что двигатель не потребляет реактивной энергии из сети.

В принципе возможны и другие законы управления импульсным регулятором, когда импульсы напряжения от импульсного генератора упреждают мгновенные значения каждой полуволны на фазах ротора. В этом случае возможен режим, когда углы Ψ₂ и Ψ₁ имеют отрицательные знаки, что соответствует отдаче реактивной энергии в сеть.

Таким образом, мы наглядно проследим, как энергия переменного тока регулируемой части обмотки ротора, попадая в выпрямитель 68, преобразуется в нем в энергию постоянного тока. Молекулярный накопительный конденсатор 74 накапливает эту энергию, которая перераспределяется в другой конденсатор 91, откуда при определенных условиях она возвращается в обмотку ротора двигателя.

С целью эффективного применения конденсаторов в цепи ротора асинхронной электрической машины желательно при проектировании последней учитывать емкостное сопротивление в цепи ротора.

Формула изобретения

Асинхронный двигатель, содержащий ротор со стержневой обмоткой, одни из стержней которой, равномерно расположенные по окружности ротора, соединены с обеих сторон короткозамыкающими кольцами, другие, равномерно расположенные по окружности ротора стержни образуют К-фазную часть обмотки ротора, жестко закрепленные на роторе блок полупроводниковых элементов, выполненный в виде неуправляемого выпрямителя, К зажимов переменного тока которого подключены к одним зажимам К-фазной части обмотки ротора, импульсный регулятор и блок управления, отличающийся тем, что дополнительно на роторе жестко закреплен блок регулирования и установлен молекулярный накопительный конденсатор, подключенный к зажимам постоянного тока К-фазного неуправляемого выпрямителя, общий зажим К-фазной части обмотки, образованный другими зажимами всех ее фаз, подключен к первым К входам блока управления и к первому выходу импульсного регулятора, включающего в себя импульсный генератор, импульсный повышающий трансформатор и К-фазных коммутаторов, силовой выход каждого из которых является соответствующим К-ым выходом импульсного регулятора и подключен каждый к соответствующей фазе К-фазной части обмотки ротора, а первыми двумя силовыми входами импульсного регулятора являются входы импульсного генератора, включающего в себя конденсатор сброса энергии, подключенный одной обкладкой к общему аноду выпрямителя, к общему катоду которого подключен второй силовой вход импульсного генератора, которым является анод первого тиристора, подключенного катодом через дроссель к другой обкладке конденсатора сброса, которая, кроме того, подключена к аноду второго тиристора, к которому встречно-параллельно подключен диод, а катодом второй тиристор подключен к концу первичной обмотки импульсного трансформатора, началом к первой обкладке конденсатора сброса, причем вторичная сторона импульсного трансформатора состоит из К однофазных обмоток, концы каждой из которых объединены и являются первым входом импульсного регулятора, а началом каждая из них подключена к входу соответствующего фазного коммутатора, образованному каждый соответствующим общим зажимом встречно-параллельно соединенных тиристоров, другой общий зажим в каждой паре которых является силовым выходом соответствующего коммутатора, а управляющие входы каждого из последних являются входами импульсного регулятора и подключены к соответствующим выходам блока управления, причем управляющие входы однонаправленных тиристоров, объединенных в каждом коммутаторе своим анодом с началом соответствующей вторичной обмотки импульсного трансформатора, являются другими К входами импульсного регулятора, а управляющие входы противоположных тиристоров являются третьими К его входами, при этом блок управления содержит К датчиков напряжения, каждый из которых своим входом подключен к соответствующей фазе К-фазной части обмотки ротора, а выходом к соответствующему фазному компаратору, прямой выход каждого из которых подключен к первому входу соответствующего логического элемента И первого логического блока, а инверсный выход к первому входу каждого аналогичного элемента И другого логического блока, другие входы каждого логического элемента И в каждом из указанных блоков объединены между собой, и объединенные зажимы подключены, каждый, к входу соответствующего усилителя-формирователя в первом усилителе импульсов, выход каждого из которых подключен к соответствующему входу из числа последних двух импульсного регулятора, которыми являются управляющие входы первого и второго тиристоров импульсного генератора, а третьи входы всех логических элементов И в блоке управления объединены между собой и являются вторым его входом, выход каждого логического элемента И подключен к соответствующему усилителю-формирователю соответственно во втором и третьем блоках усилителей импульсов, выходы каждого из последних подключены соответственно к вторым К и к третьим К управляющим входам импульсного регулятора, а блок регулирования включает в себя датчик напряжения, подключенный входами к зажимам молекулярного накопительного конденсатора, а выходом к нелинейному блоку, выход которого подключен к входу релейного элемента и к входу преобразователя напряжение-высота, выход которого подключен к селектору-формирователю импульсов, выходы которого являются выходами блока регулирования и подключены, каждый, к соответствующему входу первого блока усилителей в блоке управления, второй вход которого подключен к выходу релейного элемента блока регулирования.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11