Устройство управления асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором

Изобретение относится к области частотно-регулируемых электроприводов и может быть использовано на электрическом транспорте. Устройство управления содержит блок силового источника питания постоянного тока с нерегулируемым выходным напряжением, блок силового фильтра постоянного тока, блоки автономных инверторов напряжения, блоки электродвигателей, блок слаботочного источника питания постоянного тока с регулируемым выходным напряжением, блок формирования управляющих синусоидальных многофазных сигналов переменной частоты и блок согласования. Блок силового источника питания постоянного тока выполнен с возможностью преобразования переменного тока в постоянный без регулирования величины напряжения постоянного тока на его выходе. Блок слаботочного источника питания постоянного тока выполнен с возможностью регулирования выходного напряжения в зависимости от частоты управляющих многофазных синусоидальных сигналов переменной частоты. Технический результат заключается в сокращении массогабаритных характеристик, повышении надежности и снижении электропотребления в устройстве управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. 4 ил.

 

Изобретение относится к области частотно-регулируемых электроприводов (ЧРЭП) и может быть использовано в ЧРЭП промышленности и электрического транспорта, особенно электрического железнодорожного.

Известно устройство управления асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором, содержащее блоки выпрямителей переменного тока, сетевой фильтр, блок автономного инвертора напряжения, блок управления, предназначенный для формирования многофазных управляющих сигналов, силовой электродвигатель (см. патент RU 2326775 С2, B60L 15/20, заявка: 2006112512/11, 14.04.2006. Опубликовано: 20.06.2008, Бюл. №17. Способ управления моментом электродвигателей переменного тока формированием в электроприводе частотно-регулируемого сигнала и устройство, реализующее этот способ).

Данное устройство не обеспечивает возможности одновременного управления N электродвигателями, имеет большие массогабаритные характеристики.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому является устройство управления асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором, в котором первый вход блока силового выпрямителя с регулируемым выходным напряжением, подключен к источнику переменного тока, а первый выход блока силового выпрямителя подключен к входу блока фильтров, где колебания постоянного тока сглаживаются, выход которого подключен к первому входу силового блока автономного инвертора напряжения (АИН) - на коллекторы силовых транзисторов АИН, выход блока АИН подключен к входу блока асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором (АДКР), в который поступают усиленные блоком АИН многофазные синусоидальные сигналы переменной частоты, меняющиеся в широких пределах, второй выход блока силового выпрямителя подключен к входу блока слаботочного источника питания постоянного тока с нерегулируемым выходным напряжением, питающим блок, формирующий управляющие многофазные синусоидальные сигналы переменной частоты, вход которого подключен к выходу блока слаботочного источника питания, первый выход блока, формирующего управляющие многофазные синусоидальные сигналы переменной частоты, подключен к второму входу блока АИН, где указанные сигналы усиливаются и поступают в блок АДКР, как управляющие скоростью вращения ротора АДКР, второй выход блока, формирующего управляющие многофазные синусоидальные сигналы переменной частоты, подключен к второму входу блока силового выпрямителя, где регулируется выходное силовое напряжение блока силового выпрямителя в зависимости от частоты, вырабатываемой блоком, формирующим управляющие многофазные синусоидальные сигналы переменной частоты, чем меньше частота, тем меньше выходное напряжение блока силового выпрямителя, и наоборот, чем выше частота блока, формирующего управляющие многофазные синусоидальные сигналы переменной частоты, тем выше выходное напряжение блока силового выпрямителя. При номинальной частоте напряжение блока силового выпрямителя равно номинальному U_н (см. Средства оптимизации потребления электроэнергии. Клевцов А.В. М., Солон-пресс, 2004. Рисунки 3.7, 3.13, 3.20, 3.21, 4.7, 4.8, 4.9, 4.11).

Однако данное устройство управления электродвигателями имеет ряд недостатков, заключающихся в следующем.

1) В электрическом железнодорожном транспорте, а также в целом ряде промышленного производства, особенно тяжелой промышленности, несколько мощных электродвигателей работают параллельно в синхронном режиме, например, в электровозах работают параллельно до восьми электродвигателей более одного МВт каждый из электродвигателей, поэтому необходимо обеспечить синхронную работу всех двигателей с единым управлением.

2) Силовой блок питания, обеспечивающий постоянным током мощные силовые транзисторы АИН, разрабатывается с выходным напряжением, регулируемым в зависимости от частоты управляющих сигналов блока, формирующего управляющие многофазные синусоидальные сигналы переменной частоты, что значительно усложняет сам блок питания, а также приводит к дополнительным потерям электрической энергии в нем.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение синхронной работы параллельно работающих двигателей, упрощение и удешевление схем управления, уменьшение потерь электрической энергии в схеме управления, снижение массогабаритных характеристик устройства управления электродвигателями.

Технический результат достигается тем, что в устройство управления асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором, содержащее блок силового источника питания постоянного тока, вход которого подключен к источнику переменного тока, блок силового фильтра постоянного тока, N блоков автономных инверторов напряжения, блок слаботочного источника питания постоянного тока и блок формирования управляющих многофазных синусоидальных сигналов переменной частоты, при этом первый выход блока силового источника питания постоянного тока подключен к входу блока силового фильтра постоянного тока, выход которого подключен к первому входу каждого из N блоков автономных инверторов напряжения, выход которого подключен к входу блока электродвигателя, второй выход блока силового источника питания постоянного тока подключен к первому входу блока слаботочного источника питания постоянного тока, выход которого подключен к входу блока формирования управляющих многофазных синусоидальных сигналов переменной частоты, согласно изобретению дополнительно введен блок согласования, первый вход которого подключен к выходу блока слаботочного источника питания постоянного тока, а второй вход - к первому выходу блока формирования управляющих многофазных синусоидальных сигналов переменной частоты, выход блока согласования подключен одновременно к каждому входу блока автономного инвертора напряжения, блок силового источника питания постоянного тока выполнен с возможностью преобразования переменного тока в постоянный без регулирования величины напряжения постоянного тока на его выходе, блок слаботочного источника питания постоянного тока выполнен с возможностью регулирования выходного напряжения в зависимости от частоты управляющих многофазных синусоидальных сигналов переменной частоты, при этом второй его вход подключен к второму выходу блока формирования управляющих многофазных синусоидальных сигналов переменной частоты.

В дальнейшем изобретение поясняется чертежами, на которых:

фиг.1 изображает блочно-функциональную схему ЧРЭП;

фиг.2 - схему согласования для одной фазы;

фиг.3 - схему блока слаботочного источника питания с регулируемым выходным напряжением (для одной фазы);

фиг.4 - блок согласования выхода блока, формирующего управляющие многофазные синусоидальные сигналы переменной частоты, с входами трех АМН, имеющих по три фазы в каждом АИН (для упрощения чертежа блока).

Устройство управления асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором содержит следующие блоки: 1 - блок силового источника питания постоянного тока с нерегулируемым выходным напряжением; 2 - блок силового фильтра постоянного тока; 3 - блок автономного инвертора напряжения АИН; 4 - блок электродвигателя; 5 -блок слаботочного источника питания постоянного тока с регулируемым выходным напряжением; 6 - блок формирования управляющих синусоидальных многофазных сигналов переменной частоты; 7 - блок согласования выхода блока 6 с входами блоков 3.

Блок 1 силового источника питания постоянного тока с нерегулируемым выходным напряжением своим входом подключен к источнику питания переменного тока (на фиг.1 не показан). Первый выход блока 1 подключен к входу блока 2 силового фильтра постоянного тока, блок 2 имеет количество выходов по количеству питаемых блоков 3 - АИН. Первые входы блоков 3 подключены к выходам блока 2. К каждому выходу блока 3 подключен вход каждого блока электродвигателя 4.

Второй выход блока 1 подключен к первому входу блока 5 - слаботочного источника питания постоянного тока с управляемым выходным напряжением в зависимости от частоты управляющих многофазных синусоидальных сигналов, формируемых блоком 6. Первый выход блока 6 подключен к второму входу блока 5, а второй выход блока 6 подключен к первому входу дополнительно введенного блока 7 согласования выхода блока 6 с входами блоков 3 - АИН, за счет подключения вторых входов блоков 3 к выходу блока 7. Выход блока 5 одновременно подключен к входам блоков 6 и 7 и питает их постоянным током с изменяющимся по величине напряжением.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

После включения в работу блока 1 - силового источника питания постоянного тока переменный ток в блоке 1 преобразуется в нерегулируемый постоянный ток высокого напряжения. В блоке 2 осуществляется сглаживание пульсаций постоянного тока, в блоке 3 управляющие синусоидальные сигналы переменной частоты усиливаются и с выходов блока 3 фазные напряжения подаются на статорные обмотки электродвигателей блоков 4.

В блоке 5 слаботочного источника постоянного тока переменный ток преобразуется в постоянный ток с напряжением, регулируемым на выходе блока 5 управляющими многофазными синусоидальными сигналами переменной частоты, поступающими с первого выхода блока 6.

Во время пуска электродвигателя выходное напряжение источника постоянного тока блока 5 снижается из-за низкой частоты, вырабатываемой блоком 6, при этом на входы (базы силовых транзисторов) блока 3 поступает пониженное напряжение и транзисторы открываются на незначительную величину, ограничивая токи в статорных обмотках электродвигателей. С увеличением частоты управляющих сигналов, вырабатываемых блоком 6, увеличивается выходное напряжение блока 5, а также блока 7, что больше приоткрывает силовые транзисторы блоков 3. При формировании управляющей частоты, равной номинальной ω_н, выходное напряжение блока 5 достигает уровня U_нупр, при котором число оборотов электродвигателей блоков 4 также достигает номинальной частоты ω_нд, номинального напряжения и других параметров. Процедура снижения частоты оборотов электродвигателей происходит в обратной последовательности.

Регулирование выходного напряжения блока слаботочного источника питания постоянного тока осуществляется следующим образом.

Управляющие синусоидальные сигналы, формируемые блоком 6, поступают на базу транзистора VT₃. При малой частоте управляющего сигнала сопротивление катушки индуктивности L₁ мало, на базу транзистора VT₃ подается ток большой амплитуды, транзистор открывается и пропускает ток, на резисторе R₈ происходит падение напряжения, значение напряжения на выходе U мало. При большой частоте управляющего сигнала сопротивление катушки индуктивности L₁ велико, транзистор VT₃ заперт, в результате не происходит падения напряжения на резисторе R₈, значение напряжения на выходе U велико.

Схема согласования (см. фиг.2) работает следующим образом (описана работа схемы одной фазы, остальные m-1 схем работают аналогично описанному).

На вход схемы - базы транзисторов VT_1C и VT_2C - поступает синусоидальный сигнал. При положительной половине синусоиды открывается транзистор VT_1C и на резисторе R₂ появляется положительный полярности полусинусоидальный сигнал. Этот сигнал поступает на базы транзисторов VT₁ первых фаз всех трех АИН (см. фиг.4). Транзисторы VT₂ первой фазы всех АИН в положительный полупериод синусоиды закрыты. При отрицательном полупериоде синусоиды первой фазы открывается транзистор VT_2C и на резисторе R₄ появляется полупериод синусоиды положительной полярности, который поступает на вход (база) всех транзисторов VT₂ первой фазы всех АИН.

Работа схем согласования остальных фаз блока 7 аналогична описанному выше. Транзисторы VT_1C блока 7 имеют n-р-n переход, а транзисторы VT_2C - р-n-р переход.

Регулирование напряжения источника питания блока 5 в зависимости от частоты управляющих сигналов регулирует выходные сигналы схемы согласования и таким образом регулирует степень открытия и закрытия силовых транзисторов АИН, а следовательно, и уровень подаваемого питания на статорные обмотки электродвигателей блоков 4.

Как следует из блок-схемы фиг.1 предлагаемого устройства управления электродвигателями и описания устройства, его главными отличительными особенностями от прототипа является следующее.

а) Выход силового блока питания постоянного тока 1 является нерегулируемым, что упрощает конструкцию блока, уменьшает его массогабаритные размеры, снижает электрические потери в блоке.

б) Регулирование тока и частично напряжения, подаваемого на статорные обмотки электродвигателей 4, осуществляется изменением величины управляющих синусоидальных сигналов, подаваемых на базы силовых транзисторов АИН с выхода согласующих схем блока 7, на вход которого поступает регулируемое по величине питающее напряжение с выхода блока 5, величина которого изменяется от численного значения частоты управляющих синусоидальных сигналов, вырабатываемых блоком 6, второй выход которого подключен к второму входу блока 5, что удешевляет и упрощает регулирование выходного напряжения слаботочного источника питания в пределах 0÷5÷8 В.

в) Вводится блок согласования 7 выхода блока 6 с входами N блоков 3 - автономных инверторов напряжения одним блоком 7. Эффективность блока согласования 7 увеличивается с ростом как количества фаз m электродвигателя, так и их управляемым числом N.

Устройство управления асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором, содержащее блок силового источника питания постоянного тока, вход которого подключен к источнику переменного тока, блок силового фильтра постоянного тока, N блоков автономных инверторов напряжения, блок слаботочного источника питания постоянного тока и блок формирования управляющих многофазных синусоидальных сигналов переменной частоты, при этом первый выход блока силового источника питания постоянного тока подключен к входу блока силового фильтра постоянного тока, выход которого подключен к первому входу каждого из N блоков автономных инверторов напряжения, выход которого подключен к входу блока электродвигателя, второй выход блока силового источника питания постоянного тока подключен к первому входу блока слаботочного источника питания постоянного тока, выход которого подключен к входу блока формирования управляющих многофазных синусоидальных сигналов переменной частоты, отличающееся тем, что в него дополнительно введен блок согласования, первый вход которого подключен к выходу блока слаботочного источника питания постоянного тока, а второй вход - к первому выходу блока формирования управляющих многофазных синусоидальных сигналов переменной частоты, выход блока согласования подключен одновременно к каждому входу блока автономного инвертора напряжения, блок силового источника питания постоянного тока выполнен с возможностью преобразования переменного тока в постоянный без регулирования величины напряжения постоянного тока на его выходе, блок слаботочного источника питания постоянного тока выполнен с возможностью регулирования выходного напряжения в зависимости от частоты управляющих многофазных синусоидальных сигналов переменной частоты, а второй его вход подключен к второму выходу блока формирования управляющих многофазных синусоидальных сигналов переменной частоты.