Устройство для управления асинхронным электродвигателем

Цель изобретения повысить динамические возможности электропривода транспортного средства, питающегося от источника постоянного напряжения по системе преобразователь частоты - асинхронный электродвигатель, улучшить его энергетические характеристики и упростить систему управления. Эта цель достигается тем, что в качестве асинхронного электродвигателя используется двигатель с фазным ротором, обмотки статора которого соединены с выходом преобразователя постоянного напряжения в трехфазное напряжение с регулируемой амплитудой, с регулируемой частотой и с изменяемым порядком чередования фаз, обмотки ротора соединены с мостовым трехфазным выпрямителем, а этот выпрямитель подключен к источнику постоянного напряжения через дроссель, импульсный прерыватель и отсекающий диод. Наиболее эффективным является применение предлагаемого устройства в электровозах, троллейбусах, мотор-вагонах метро, поскольку эффективность рекуперации в режимах торможения транспортного средства обеспечит быструю окупаемость предлагаемого устройства, а функциональная простота системы управления и широкие возможности управления двигателем обеспечивают надежность работы транспортного устройства. Возможной областью применения данного устройства являются также электромобили.

Предлагаемое устройство для управления асинхронным электродвигателем предназначено для использования в приводах транспортных средств, работающих в динамических режимах в широком диапазоне скоростей, при питании от источников постоянного напряжения.

Известно устройство «передачи мощности переменного тока тягового транспортного средства» («ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА МОЩНОСТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ТЯГОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА» публикация С2 №2252150 от 2005.05.20, МКИ B 60 L 1/08), в котором «статорные обмотки асинхронного тягового электродвигателя подключены к статорным обмоткам тягового синхронного генератора, а роторная обмотка - к выходу непосредственного преобразователя частоты, также подключенного к статорным обмоткам тягового синхронного генератора».

Недостаток данного устройства заключается в том, что не обеспечивается работа транспортного средства от контактной сети, а также в невозможности работы двигателя в режиме рекуперативного торможения транспортного средства.

Известен «частотно-управляемый асинхронный электропривод преимущественно рельсового транспортного средства» («ЧАСТОТНО-УПРАВЛЯЕМЫЙ СИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД» публикация А №2003119885 от 2005.02.20 МКИ Н 02 Р 5/34), содержащей асинхронный короткозамкнутый электродвигатель, снабженный не менее, чем двумя дуговыми обмотками статора, подключенными к отдельным автономным инверторам, с целью компенсации «ударного тормозного момента одной дуговой обмотки статора вращающими моментами остальных дуговых обмоток... в случае аварийного режима работы одного из автономных инверторов».

Недостаток данного привода кроме упомянутого в заявке «ударного свойства» заключается в особой конструкции электродвигателя, а также в невозможности работы двигателя в режиме рекуперативного торможения транспортного средства.

Известно устройство («УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОН-НЫМТЯГОВЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ » публикация А №95109366 от 1998.02.20 МКИ. Н 02 Р 7/42) «управления асинхронным тяговым электродвигателем, подключенным к автономному инвертору напряжения, к входу которого подключены тормозной регулятор и выход фильтра звена постоянного тока, вход которого предназначен для подключения к источнику питания» и создана система управления моментом вращения и скоростью.

Недостаток данного устройства заключается в невозможности длительной работы инвертора в режиме рекуперативного торможения асинхронного электродвигателя, что ухудшает энергетические показатели привода, также в том, что без учета положении ротора относительно потока статора системой управления частотой и напряжением инвертора ухудшаются динамические и энергетические характеристики привода.

Известно устройство («ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА МОЩНОСТИ ТЯГОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА» публикация С2 №2247039 от 2005.02.27 МКИ Н 02 Р 7/80), в котором «статорные обмотки тягового синхронного генератора подключены к статорным обмоткам асинхронных тяговых электродвигателей, роторные обмотки каждого асинхронного тягового электродвигателя соединены с индивидуальными выпрямительными мостами, а со стороны выпрямленного напряжения мосты включены параллельно и соединены с обмоткой якоря регулирующей машины постоянного тока, вал которой соединен с валами теплового двигателя и тягового синхронного генератора».

Недостаток данного устройства заключается в том, что не обеспечивается работа транспортного средства от контактной сети, а также в невозможности работы двигателя в режиме рекуперативного торможения транспортного

средства.

Известно устройство («УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ» МКИ Н 02 М 7/5387; MKИ B 60 L 9/22, публикация С2 №2167071 от 2001.05.20) «для использования в силовых цепях постоянно-переменного тока тягового преобразования», содержащее «инвертор для питания асинхронного электродвигателя, интеллектуальный датчик параметров преобразователя, интеллектуальный датчик мгновенного положения ротора) электродвигателя с балластным сопротивлением, блок сравнения параметров преобразователя и электродвигателя», в котором с целью «защиты от самовозбуждения и самораскачивания асинхронного двигателя в начальной стадии» при пуске применены «два блока коммутации компенсационных конденсаторов и разрядных сопротивлений, две батареи компенсационных конденсаторов и две батареи разрядных сопротивлений».

Недостаток данного устройства заключается в сложности интеллектуальной системы управления частотой и в невозможности длительной работы инвертора в режиме рекуперативного торможения асинхронного электродвигателя, что ухудшает энергетические показатели привода.

Известно устройство для тяговых электроприводов с асинхронным электродвигателем на электропоездах (публикация С2 №2193814 от 2002.11.27 «УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ» МКИ НО 2 Р 21/00), содержащее инвертор ШИМ, в котором с целю «упрощение и обеспечение непрерывного (векторного) управления во всем диапазоне скоростей» «изменение глубины модуляции выходного напряжения» (напряжения статора) осуществляется по командам от «созданной схемы для измерения составляющих намагничивающей и моментообразующей составляющей тока статора асинхронного двигателя».

Недостаток данного устройства заключается в сложности системы векторного управления частотой и в невозможности длительной работы инвертора в режиме рекуперативного торможения асинхронного электродвигателя, что ухудшает энергетические показатели привода.

Известно устройство для регулирования скорости асинхронного электродвигателя с фазным ротором при питании от трехфазной сети (авторское свидетельство СССР №502469 от 05.02.76 МКИ Н 02 Р 7/46, Н 02 К 17/34 «Устройство для регулирования скорости асинхронного электродвигателя с фазным ротором»), содержащее выпрямитель в цепи ротора, дроссель, прерыватель постоянного тока, включенный между дросселем и отсекающим диодом, который через фильтр нижних частот подключен к инвертору ведомому трехфазной сетью.

Недостаток этого устройства заключается в том, что его нельзя использовать при питании транспортного средства от сети постоянного тока.

Для электропривода транспортных средства, работающего от источника постоянного напряжения (троллейбус, трамвай, метро, электровозы, электромобили и т.п.) обычно используется двигатель постоянного тока, недостатком которого является наличие коллектора. Использование более простых электродвигателей (асинхронного и синхронного электродвигателей) в этих приводах стало возможным благодаря применению транзисторных преобразователей из постоянного напряжения в трехфазное напряжение с регулируемой частотой и амплитудой и с возможностью изменения порядка следования фаз этого напряжения. Недостатком привода с синхронным электродвигателем является высокая жесткость механической характеристики электродвигателя, которая в условиях транспортного средства вызывает дополнительные повышенные механические нагрузки (удары) в механизмах привода, особенно на низкой скорости (частоте), где напряжение синхронного генератора невелико и поэтому затрудняется естественная коммутация ключей (транзисторов) инвертора.

Наиболее часто в последнее время используется для транспортных средств частотное управление асинхронным короткозамкнутым электродвигателем. Недостатком таких устройств является ограниченные возможности системы преобразователь частоты - асинхронный короткозамкнутый электродвигатель при работе в динамических режимах связанные, в частности,

с невозможностью эффективной работы асинхронного короткозамкнутого электродвигателя в режиме генераторного торможения на постоянной скорости вращения двигателя, а также со сложностью системы векторного управления преобразователем для привода с асинхронным короткозамкнутым электродвигателем.

В результате динамические свойства привода оказываются хуже, чем у привода с двигателями постоянного тока, ограничена возможность рекуперации энергии от движущегося транспортного средства в источник, а система управления очень сложна в наладке и в эксплуатации.

Цель изобретения повысить динамические возможности электропривода транспортного средства, питающегося от источника постоянного напряжения по системе преобразователь частоты - асинхронный электродвигатель, улучшить его энергетические характеристики и упростить систему управления.

Эта цель достигается тем, что в качестве асинхронного электродвигателя используется двигатель с фазным ротором, обмотки статора которого соединены с выходом преобразователя постоянного напряжения в трехфазное напряжение с регулируемой амплитудой, с регулируемой частотой и с изменяемым порядком чередования фаз, обмотки ротора соединены с мостовым трехфазным выпрямителем, а этот выпрямитель подключен к источнику постоянного напряжения через дроссель, импульсный прерыватель и отсекающий диод.

Источник постоянного напряжения 1 подключен к преобразователю 2 постоянного напряжения в трехфазное напряжение, регулируемое по амплитуде, частоте и с изменяемым порядком чередования фаз. Выходы преобразователя 2 подключены к выводам обмоток статора асинхронного электродвигателя с фазным ротором 3. Выводы обмоток ротора через контактные кольца электродвигателя 3 соединены с трехфазным мостовым выпрямителем 4. Первый полюс выпрямленного напряжения выпрямителя 4 соединен с первым выводом дросселя 5, второй вывод дросселя 5 соединен с

первым выводом прерывателя 6. Второй полюс выпрямителя 4 соединен со вторым выводом прерывателя 6 и с одноименным по знаку полюсом источника постоянного напряжения 1. Общая точка дросселя 5 и прерывателя 6 соединена через отсекающий диод 7 со вторым полюсом источника постоянного напряжения 1 в такой полярности диода 7, которая препятствует закорачиванию источника постоянного напряжения 1 в случае замкнутого состояния прерывателя 6.

Устройство работает следующим образом. Постоянное напряжение от источника 1 преобразуется преобразователем 2 в трехфазное напряжение, подаваемое на обмотки статора двигателя 3. В обмотках статора создаются токи, формирующие вращающееся относительно статора магнитное поле, пронизывающее как статор, так и ротор.

Если ротор будет вращаться относительно статора с такой же скоростью что и магнитное поле (с синхронной скоростью), то магнитное поле окажется неподвижным относительно обмоток ротора и в этих обмотках не будет наводиться э.д.с., не будет напряжения на выводах обмоток ротора.

Если скорость ротора будет меньше (или больше) скорости вращения магнитного поля статора, то появится скольжение (вращение) ротора относительно магнитного поля статора, магнитное поле ротора начнет вращаться относительно обмоток ротора и в обмотках ротора будут создаваться э.д.с. Напряжения с выводов обмоток ротора через контактные кольца подаются на вход трехфазного мостового выпрямителя 4 и выпрямляются последним. В разомкнутом состоянии прерывателя 6 напряжение с выхода выпрямителя 4 через дроссель 5 совместно с напряжением источника постоянного напряжения 1 оказывается приложенным к отсекающему диоду 7.

Если скольжение небольшое, то напряжение на выходе выпрямителя 4 меньше по величине, чем напряжение источника 1 и диод 7 оказывается смещенным в обратном направлении. Ток через дроссель 5 не протекает.

Если скольжение достаточно большое, то напряжение на выходе выпрямителя 4 может стать больше по величине, чем напряжение источника

1, а диод 7 оказывается смещенным в прямом направлении; через диод 7, дроссель 5 и обмотки ротора начнет протекать ток в источник постоянного напряжения 1. Это соответствует возврату энергии скольжения ротора в источник 1.

При протекании тока по обмоткам ротора создается момент вращения двигателя 3. Момент вращения двигателя 3 всегда имеет такое направление, которое способствует уменьшению скольжения в соответствии с известным принципом работы асинхронного вентильного каскада. При этом в зависимости от соотношения величины выпрямленного напряжения ротора и величины напряжения источника 1 асинхронный двигатель может оказаться в такой точке механической характеристики, которая соответствует первому квадранту (скорость положительная - движение вперед/вверх, момент вращения положительный) или которая соответствует четвертому квадранту (скорость отрицательная - движение назад/на спуск, момент вращения положительный).

Возможности для работы асинхронного двигателя во втором квадранте (скорость положительная движение вперед/вверх, момент вращения отрицательный) в режиме генераторного торможения при питании обмоток статора от транзисторного инвертора ограничены односторонней проводимостью транзисторов.

Если прерыватель 6 замкнут, то напряжение выпрямителя 4 через прерыватель 6 оказывается приложенным к дросселю 5 и вызовет появления тока через дроссель 5, диоды выпрямителя 4 и через обмотки ротора двигателя 3. Ротор асинхронного электродвигателя практически оказывается закороченным накоротко, и двигатель работает как обычный асинхронный короткозамкнутый электродвигатель, однако питающийся по цепи статора от инвертора.

Если прерыватель 6 размыкается в момент протекания тока через дроссель 5, то в дросселе 5 возникает э.д.с. самоиндукции, направленная согласно с выпрямленным напряжением выпрямителя 4, которая стремится

сохранить величину и направление тока дросселя 5. Эта э.д.с. может достичь такой величины, что диод 7 открывается и пропускает импульс тока в источник постоянного напряжения 1. Поскольку при этом на дросселе 5 напряжение оказывается противоположной полярности по отношении к интервалу замкнутого состояния прерывателя 6, то ток дросселя уменьшается.

Прерыватель 6 может работать в режиме ШИМ с периодическим замыканием и размыканием. Путем изменения скважности работы прерывателя 6 достигается регулирование среднего значения тока дросселя, тока ротора и, соответственно, регулирование среднего значения момента вращения двигателя. При уменьшении интервала замкнутого состояния прерывателя 6 уменьшается среднее значение тока дросселя 5 и момента вращения двигателя, а ток дросселя (и момент вращения двигателя) могут стать прерывистыми. В случае необходимости сглаживания этого тока между выпрямителем 4 и дросселем 5 может быть включен фильтр нижних частот 8.

При работе прерывателя 6 в периодическом режиме (ШИМ) через диод 7 в источник постоянного напряжения 1 поступают импульсы тока. В случае необходимости сглаживания этого тока между диодом 7 и источником постоянного напряжения 1 может быть включен фильтр нижних частот 9.

Изменением порядка следования фаз трехфазного напряжения, подаваемого от преобразователя 2 на обмотки статора, осуществляется перевод двигателя для работы во втором и третьем квадрантах механических характеристик привода. За счет совместного согласованного изменения скважности работы прерывателя 6, изменения частоты, амплитуды и порядка следования фаз трехфазного напряжения преобразователя 2 обеспечивается возможность плавного управления и требуемого быстродействия переходов из двигательного режима в режим рекуперативного торможения транспортного средства и обратно - во всех четырех квадрантах механических характеристик.

Важной особенностью предлагаемого устройства является простота

системы управления. В предлагаемом устройстве отсутствует необходимость векторного управления формированием тока статора, поскольку система работает с выпрямителем роторного напряжения, где по принципу работы выпрямителя обеспечивается наилучшее для формирования момента вращения двигателя переключение тока между фазными обмотками ротора.

Импульсное регулирование выпрямленного тока ротора в широком диапазоне скольжении позволяет снизить требования к поддержанию величины и формы трехфазного напряжения статора, создаваемого преобразователем 2, даже для работы в пусковых режимах транспортного средства, на малой скорости двигателя, в режимах подхвата движения и отката транспортного средства после снятия тормоза.

Управление скоростью привода сводится к управлению частотой на выходе преобразователя и к починенному управлению током ротора (моментом вращения двигателя).

Путем соответствующего управления транзисторами преобразователя 2 можно обеспечить питание обмоток статора постоянным током и создать режим динамического торможения двигателя с плавным управлением моментом торможения двигателя как путем управления током статора с помощью преобразователя 2, так и с использованием управления током ротора с помощью прерывателя 6.

Важной особенностью данного устройства является то, что во всех перечисленных режимах работы привода, в обмотках статора и обмотках ротора нет дополнительных потерь, поскольку прерывателем 6 обеспечивается рекуперация мощности скольжения, а потери в обмотках связаны в основном с величиной момента вращения двигателя и, практически, не связаны со скольжением. Это повышает надежность работы двигателя 3.

Функциональная надежность импульсного управления в цепи ротора достигается также тем, что допускается совместная работа нескольких транзисторов в составе одного прерывателя 6, что позволяет

увеличить эквивалентную частоту работы прерывателя 6 и уменьшить величину пульсаций тока ротора. Обеспечена также независимая параллельная работа от одного выпрямителя разных комплектов - прерыватель 6, дроссель 5, отсекающий диод 7, и независимая параллельная работа от выводов обмоток ротора разных комплектов - выпрямитель 4, дроссель 5, прерыватель 6, отсекающий диод 7.

Асинхронный электродвигатель с фазным ротором обратимая машина относительно статора и ротора. Поэтому подключение выводов статора и выводов ротора можно поменять местами.

Наиболее эффективным является применение предлагаемого устройства в электровозах, троллейбусах, мотор-вагонах метро, поскольку эффективность рекуперации в режимах торможения транспортного средства обеспечит быструю окупаемость предлагаемого устройства, а функциональная простота системы управления и широкие возможности управления двигателем обеспечивают надежность работы транспортного устройства.

Возможной областью применения данного устройства являются также электромобили.

1. Устройство для управления асинхронным электродвигателем транспортного средства от источника постоянного напряжения, содержащее преобразователь постоянного напряжения в трехфазное напряжение с регулируемой амплитудой, регулируемой частотой и изменяемым порядком чередования фаз, отличающееся тем, что в качестве асинхронного электродвигателя используется двигатель с фазным ротором, обмотки статора которого соединены с выходом упомянутого преобразователя, обмотки ротора соединены с мостовым трехфазным выпрямителем, а этот выпрямитель подключен к упомянутому источнику постоянного напряжения через дроссель, импульсный прерыватель и отсекающий диод.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью уменьшения пульсаций момента вращения между мостовым трехфазным выпрямителем и дросселем в цепи выпрямленного тока ротора включен фильтр нижних частот.

3. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что, с целью уменьшения пульсаций тока рекуперации, поступающего в источник постоянного напряжения, между ним и отсекающим диодом включен фильтр нижних частот.

4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что, с целью улучшения устойчивости режима генераторного торможения параллельно выводам статорных обмоток включены конденсаторы.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве прерывателя используются транзисторы IGBT.