устройство управления асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором

Формула изобретения

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, содержащий разделительный конденсатор, транзистор с n-p-n переходом, первый, второй, третий и четвертый резисторы, при этом первая обкладка разделительного конденсатора соединена с первым выходом блока формирования управляющих многофазных синусоидальных сигналов переменной частоты, а вторая обкладка разделительного конденсатора соединена с базой транзистора с n-p-n переходом, включенного по схеме с коллекторно-эмиттерной нагрузкой, причем через первый резистор разделительный конденсатор связан с первым входом блока согласования, а через второй резистор разделительный конденсатор заземлен, коллектор транзистора с n-p-n переходом через третий резистор подключен к первому входу блока согласования, а эмиттер транзистора с n-p-n переходом через четвертый резистор заземлен, при этом первый вход блока согласования 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.

Описание изобретения к патенту

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 по патенту РФ № 2326775, МПК B60L 15/20, 20.06.2008, содержащее блоки выпрямителей переменного тока, сетевой фильтр, блок автономного инвертора напряжения, блок управления, предназначенный для формирования многофазных управляющих сигналов, силовой электродвигатель.

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_H (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.

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 1 МВт каждый из электродвигателей, поэтому необходимо обеспечить синхронную работу всех двигателей с единым управлением.

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 предлагаемому изобретению дополнительно введен блок согласования, содержащий разделительный конденсатор, транзистор с n-р-n переходом, первый, второй, третий и четвертый резисторы, при этом первая обкладка разделительного конденсатора соединена с первым выходом блока формирования управляющих многофазных синусоидальных сигналов переменной частоты, а вторая обкладка разделительного конденсатора соединена с базой транзистора с n-р-n переходом, включенного по схеме с коллекторно-эмиттерной нагрузкой, причем через первый резистор разделительный конденсатор связан с первым входом блока согласования, а через второй резистор разделительный конденсатор заземлен, коллектор транзистора с n-р-n переходом через третий резистор подключен к первому входу блока согласования, а эмиттер транзистора с n-р-n переходом через четвертый резистор заземлен, при этом первый вход блока согласования 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 зависимое и 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 блока согласования (для одной фазы);

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

фиг.4 - схему согласования выхода блока, формирующего управляющие многофазные синусоидальные сигналы переменной частоты, с входами трех АИН, 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 4 электродвигателя.

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.

Блок 7 согласования содержит разделительный конденсатор C₇₁, соединенный с базой транзистора VT₇₁ с n-р-n переходом, включенного по схеме с коллекторно-эмиттерной нагрузкой. Через первый резистор R₇₁ разделительный конденсатор С₇₁ связан с положительным полюсом блока 5 слаботочного источника питания постоянного тока, а через второй резистор R₇₂ разделительный конденсатор С₇₁ заземлен. Коллектор силового транзистора VT₇₁ с n-р-n переходом через третий резистор R ₇₃ подключен к положительному полюсу блока 5 слаботочного источника питания постоянного тока. Эмиттер силового транзистора VT₇₁ с n-р-n переходом через четвертый резистор R ₇₄ заземлен.

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 _H, выходное напряжение блока 5 достигает уровня U_НУПР, при котором число оборотов электродвигателей блоков 4 также достигает номинальной частоты _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 5, поступают на базу транзистора VT₅₁. При малой частоте управляющего сигнала сопротивление катушки индуктивности L₅₁ мало, на базу транзистора VT₅₁ подается ток большой амплитуды, транзистор открывается и пропускает ток, на резисторе R₅₂ происходит падение напряжения, значение напряжения на выходе U мало. При большой частоте управляющего сигнала сопротивление катушки индуктивности L₅₁ велико, транзистор VT₅₁ заперт, в результате не происходит падения напряжения на резисторе R₅₂, значение напряжения на выходе U велико.

Блок 7 согласования (см. фиг.2) работает следующим образом (описана работа схемы одной фазы, остальные m-1 схем работают аналогично описанному).

На вход блока 7 - базу транзистора VT₇₁ с n-р-n переходом - поступает синусоидальный сигнал. При положительной половине синусоиды открывается транзистор VT₇₁ с n-р-n переходом и на резисторе R₇₄ появляется положительной полярности полусинусоидальный сигнал. Этот сигнал поступает на базы транзисторов VT₃₁ первых фаз всех трех АИН (см. фиг.4). Транзисторы VT₃₂ первой фазы всех АИН в положительный полупериод синусоиды закрыты. При отрицательном полупериоде синусоиды первой фазы на резисторе R₇₃ появляется полупериод синусоиды положительной полярности, который поступает на вход (база) всех транзисторов VT₃₂ первой фазы всех АИН.

Работа остальных фаз блока 7 согласования аналогична описанному выше.

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 являются:

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 подается 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 7 согласования 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;

г) в блоке 7 согласования транзистор VT₇₁ с n-р-n переходом включен по схеме с коллекторно-эмиттерной нагрузки, благодаря чему достаточно применения только одного транзистора для каждой фазы блока 7 согласования, что удешевляет и упрощает конструкцию блока 7 согласования.