RU2779431C1

RU2779431C1 - Controlled cascade synchronous electric drive

Info

Publication number: RU2779431C1
Application number: RU2022108663A
Authority: RU
Inventors: Владислав Владимирович Квочкин; Владимр Юрьевич Карандей; Борис Клавдиевич Попов; Виктор Леонидович Афанасьев; Юрий Юрьевич Карандей
Filing date: 2022-03-31
Publication date: 2022-09-07

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering. The controlled cascade electric drive contains two synchronous electric motors, the shafts of which are rigidly connected and electrically connected to each other. The stators of both electric motors are installed in a common housing, and the stator of the second electric motor is movable. A fastening ring is installed on the shaft of the first electric motor in the area of the shaft connection, on which there are two electromagnetic clutches, one of which creates contact between the friction pad with a ledge and the housing of the movable stator. The other creates contact between its friction pad with the motor shaft and the movable stator. The third electromagnetic clutch is fixed on the drive housing with the possibility of contact between the friction pad with the ledge and the housing of the movable stator. Pairs of slip rings and brushes are installed on the outer sides of the housing on the shafts of each electric motor for the possibility of installing couplings directly between the motors. The connection between the motor windings is carried out through an electronic controller.

EFFECT: expanding the control range of the controlled cascade electric drive and increasing the efficiency of the installation.

1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к управляемым каскадным электрическим приводам вращательного движения, и может быть использовано при создании безредукторных приводов в промышленности, машиностроении, станкостроении и транспорте с регулируемой частотой от 0 до двойной номинальной синхронной при постоянном номинальном моменте, либо при двойном номинальном моменте и постоянной номинальной синхронной частоте, с возможностью реверсирования вращения.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular, to controlled cascade electric drives of rotational motion, and can be used to create gearless drives in industry, mechanical engineering, machine tool building and transport with adjustable frequency from 0 to double nominal synchronous at a constant rated torque, or at double rated torque and constant rated synchronous frequency, with the possibility of reversing rotation.

Получение низких частот вращения у современных электрических двигателей как постоянного тока, так и переменного с короткозамкнутым или фазным ротором представляется возможным двумя способами. При первом способе применяются различные редукторы, усложняющие привод и снижающие его надежность, при этом они не решают проблем снижения частоты вращения, и не позволяют добиться получения частоты вращения на выходе редуктора близкой к нулю, тем более изменения знака и осуществления реверса привода. Второй способ заключается в применении дорогостоящего частотно управляемого электропривода, который также не решает проблемы получения очень низких скоростей вращения, близких к 0, и получения удвоенной скорости вращения при постоянном моменте или удвоенного момента при постоянной скорости. В свою очередь применение частотных преобразователей приводит к искажению синусоидальности напряжения, за счет генерирования высших гармоник в питающей сети.Obtaining low speeds in modern electric motors, both direct current and alternating current with a squirrel-cage or phase rotor, is possible in two ways. In the first method, various gearboxes are used that complicate the drive and reduce its reliability, while they do not solve the problems of reducing the speed, and do not allow achieving the speed at the gearbox output close to zero, especially changing the sign and reversing the drive. The second way is to use an expensive frequency controlled electric drive, which also does not solve the problem of obtaining very low rotation speeds close to 0, and obtaining double the rotation speed at a constant torque or double the torque at a constant speed. In turn, the use of frequency converters leads to a distortion of the sinusoidal voltage due to the generation of higher harmonics in the supply network.

Известен синхронный электрический двигатель [Копылов И.П. Электрические машины: учеб. Для вузов / И.П. Копылов.-2-е изд., перераб. - М.: Высш. шк., Логос, 2000. - 607 с.], обеспечивающий высокую частоту вращения, определяемую числом "пар" полюсов и частотой тока и напряжения питающей сети.Known synchronous electric motor [Kopylov I.P. Electric machines: textbook. For universities / I.P. Kopylov.-2nd ed., revised. - M.: Higher. shk., Logos, 2000. - 607 p.], providing a high speed, determined by the number of "pairs" of poles and the frequency of the current and voltage of the supply network.

Такой двигатель не обеспечивает низких частот вращения, кроме того, в случае применения понижающего редуктора такой двигатель не обеспечивает широкого диапазона регулирования частоты вращения, тем более с низким пределом, равным нулю, и возможностью реверса.Such an engine does not provide low speeds, in addition, in the case of using a reduction gear, such an engine does not provide a wide range of speed control, especially with a low limit equal to zero and the possibility of reverse.

Прототипом является каскадный электрический привод, состоящий из двух соосно установленных синхронного и асинхронного электродвигателей, валы которых жестко соединены между собой (Пат. № SU 312343, 1971 г.). Роторная обмотка асинхронного двигателя соединена со статорной обмоткой синхронного двигателя через выпрямитель, дроссель и инвертор.The prototype is a cascade electric drive, consisting of two coaxially mounted synchronous and asynchronous motors, the shafts of which are rigidly connected to each other (Pat. No. SU 312343, 1971). The rotor winding of the induction motor is connected to the stator winding of the synchronous motor through a rectifier, choke and inverter.

Устройство по прототипу обладает низкими эксплуатационными характеристиками выше номинального режима, обусловленными недостаточной перегрузочной способностью и жесткостью механических характеристик. Также устройство неспособно достигать высоких скоростей близких к двойной номинальной, при постоянном значении величины момента.The prototype device has low performance above the nominal mode, due to insufficient overload capacity and rigidity of the mechanical characteristics. Also, the device is unable to achieve high speeds close to twice the nominal, with a constant value of the torque.

Технической задачей изобретения является расширение диапазона регулирования управляемого каскадного электрического привода и повышения эффективности установки, с возможностью реверсирования вращения.The technical objective of the invention is to expand the control range of a controlled cascade electric drive and increase the efficiency of the installation, with the possibility of reversing rotation.

Техническим результатом изобретения является расширение диапазона регулирования управляемого каскадного электрического привода и повышения эффективности установки, с возможностью реверсирования вращения.The technical result of the invention is to expand the control range of a controlled cascade electric drive and increase the efficiency of the installation, with the possibility of reversing rotation.

Технический результат достигается тем, что управляемый каскадный электрический привод содержит два электродвигателя, имеющих между собой электрическую связь, а их валы жестко соединены между собой, причем один из двигателей является синхронным с неподвижным статором. При этом статоры обоих электродвигателей установлены в общем корпусе, причем статор второго электродвигателя, являющегося тоже синхронным, подвижен и установлен на подшипниках с возможностью вращения относительно вала. На валу первого электродвигателя в области соединения валов установлено крепежное кольцо, на котором имеются две электромагнитные муфты, одна из которых создает контакт между фрикционной прокладкой с выступом и корпусом подвижного статора, имеющего впадину, соосную с выступом. Другая создает контакт между своей фрикционной прокладкой с валом электродвигателя и подвижным статором, имеющим шлицевую выточку под фрикционную прокладку. Третья электромагнитная муфта закреплена на корпусе привода с возможностью контакта между фрикционной прокладкой с выступом и корпусом подвижного статора, имеющего впадину, соосную с выступом муфты. Помимо этого с внешних сторон корпуса на валах каждого электродвигателя установлены пары контактных колец и щеток для возможности установления муфт непосредственно между двигателями, а связь между обмотками двигателей осуществлена через электронный контроллер.The technical result is achieved by the fact that the controlled cascade electric drive contains two electric motors having an electrical connection between them, and their shafts are rigidly connected to each other, and one of the motors is synchronous with a fixed stator. In this case, the stators of both electric motors are installed in a common housing, and the stator of the second electric motor, which is also synchronous, is movable and mounted on bearings for rotation relative to the shaft. A fastening ring is installed on the shaft of the first electric motor in the shaft connection area, on which there are two electromagnetic clutches, one of which creates contact between the friction pad with the protrusion and the housing of the movable stator, which has a cavity coaxial with the protrusion. The other creates contact between its friction pad with the motor shaft and the movable stator, which has a slotted recess for the friction pad. The third electromagnetic clutch is fixed on the drive housing with the possibility of contact between the friction gasket with the protrusion and the housing of the movable stator having a cavity coaxial with the clutch protrusion. In addition, pairs of slip rings and brushes are installed on the outer sides of the housing on the shafts of each electric motor to enable the installation of couplings directly between the motors, and the connection between the motor windings is carried out through an electronic controller.

Установка на корпусе двух синхронных двигателей позволяет повысить перегрузочную способность и добиться жестких механических характеристик.The installation of two synchronous motors on the frame allows to increase the overload capacity and achieve strong mechanical characteristics.

Возможность получения удвоенного момента при постоянной синхронной скорости вращения достигается тем, что статор одного из электродвигателей неподвижно закреплен на корпусе, статор другого подвижен и установлен с возможностью вращения относительно вала, а на валу первого электродвигателя дополнительно с неподвижным статором установлено крепежное кольцо, на котором имеются две электромагнитные муфты, одна из которых имеет возможность создавать контакт между фрикционной прокладкой с выступом и корпусом подвижного статора, имеющего впадину, соосную с выступом, другая имеет возможность создавать контакт между своей фрикционной прокладкой с валом электродвигателя и подвижным статором, имеющим шлицевую выточку под фрикционную прокладку, а третья электромагнитная муфта закреплена на корпусе привода с возможностью контакта между фрикционной прокладкой с выступом и корпусом подвижного статора, имеющего впадину, соосную с выступом муфты причем пары контактных колец и щеток каждого двигателя расположены на валах с внешних сторон корпуса, для возможности установления муфт непосредственно между двигателями.The possibility of obtaining a double torque at a constant synchronous speed of rotation is achieved by the fact that the stator of one of the electric motors is fixedly fixed to the housing, the stator of the other is movable and mounted with the possibility of rotation relative to the shaft, and on the shaft of the first electric motor, in addition to the fixed stator, a mounting ring is installed, on which there are two electromagnetic clutches, one of which has the ability to create contact between the friction pad with a protrusion and the housing of the movable stator, which has a cavity coaxial with the protrusion, the other has the ability to create contact between its friction pad with the motor shaft and the movable stator, which has a spline recess for the friction gasket, and the third electromagnetic clutch is fixed on the drive housing with the possibility of contact between the friction pad with the protrusion and the housing of the movable stator having a cavity coaxial with the protrusion of the clutch, and the pairs of slip rings and brushes of each motor are laid on the shafts from the outer sides of the housing, for the possibility of installing couplings directly between the engines.

Расширение диапазона регулирования скоростей достигается тем, что регулирование напряжения осуществляется с помощью электронного контроллера, через который осуществлена связь между обмотками двигателей и муфтами.The expansion of the speed control range is achieved by the fact that the voltage regulation is carried out using an electronic controller, through which the connection between the motor windings and the couplings is carried out.

Предлагаемое устройство пояснено чертежами: на Фиг. 1 изображен общий вид устройства. Устройство состоит из двух синхронных двигателей I и II. Фрикционные муфты 1, 2 закреплены на кольце 3. Кольцо 3 закреплено на валу 4, например, с помощью сварки и вращается вместе с валом 4. Фрикционная муфта 5 закреплена на корпусе 6 и неподвижна. Статор 7 находится в неподвижном состоянии и закреплен на корпусе 6, а ротор 8 закреплен неподвижно и вращается с валом 4 на подшипниках 9 независимо от вращения вала 10. Статор 12 вращается свободно на валу 10 независимо от вращения вала 4 на подшипниках 13. Ротор 14 жестко закреплен на валу 10 и вращается вместе с валом на подшипниках 11 и 13. Фрикционная муфта 5 воздействует на корпус статора 12 при помощи фрикционной прокладки 15, имеющей выступ, заходящий в корпус статора 12. Фрикционная муфта 1 соединена с валом 10 при помощи фрикционной прокладки 16, а муфта 2 соединена с корпусом статора 12 при помощи фрикционной прокладки 17. Причем прокладка 17 имеет выступ, заходящий в корпус статора 12, а прокладка 16 жестко закреплена шлицем вала 10. Рабочие площади фрикционных прокладок 16 и 17 должны быть одинаковы, для одинаковой производительности фрикционных муфт 1 и 2. Корпус статора 7 жестко закреплен на корпусе электрического двигателя 6. На обоих валах установлены контактные кольца 18 и щетки 19.The proposed device is illustrated by drawings: Fig. 1 shows a general view of the device. The device consists of two synchronous motors I and II. The friction clutches 1, 2 are fixed on the ring 3. The ring 3 is fixed on the shaft 4, for example, by welding and rotates together with the shaft 4. The friction clutch 5 is fixed on the housing 6 and is stationary. The stator 7 is in a stationary state and is fixed on the housing 6, and the rotor 8 is fixed and rotates with the shaft 4 on the bearings 9 regardless of the rotation of the shaft 10. The stator 12 rotates freely on the shaft 10 regardless of the rotation of the shaft 4 on the bearings 13. The rotor 14 is rigid mounted on the shaft 10 and rotates together with the shaft on bearings 11 and 13. The friction clutch 5 acts on the stator housing 12 with the help of a friction gasket 15, which has a protrusion that extends into the stator housing 12. The friction clutch 1 is connected to the shaft 10 using a friction gasket 16 , and the clutch 2 is connected to the stator housing 12 using a friction gasket 17. Moreover, the gasket 17 has a protrusion that extends into the stator housing 12, and the gasket 16 is rigidly fixed with a spline of the shaft 10. The working areas of the friction gaskets 16 and 17 must be the same, for the same performance friction clutches 1 and 2. The stator housing 7 is rigidly fixed to the electric motor housing 6. Slip rings are installed on both shafts. a 18 and brushes 19.

На Фиг.2 изображены характеристики синхронного двигателя, на Фиг.3 изображены характеристики синхронного электропривода при разном напряжении питания, на Фиг.4 изображены суммарные характеристики синхронного электропривода при одинаковых частотах вращения, на Фиг.5 изображены суммарные характеристики электропривода при разных частотах вращения.Figure 2 shows the characteristics of a synchronous motor, figure 3 shows the characteristics of a synchronous drive at different supply voltages, figure 4 shows the total characteristics of a synchronous drive at the same speed, figure 5 shows the total characteristics of the drive at different speeds.

На Фиг.6 представлена схема автоматического регулирования, состоящая из датчика положения 20, преобразователя частоты вращения 21, сумматора 22, контроллера 23, преобразователей частоты 25.1, 25,2, выпрямителей и регуляторов напряжения 24.1, 24.2.Figure 6 shows the automatic control circuit, consisting of a position sensor 20, a speed converter 21, an adder 22, a controller 23, frequency converters 25.1, 25.2, rectifiers and voltage regulators 24.1, 24.2.

Работа устройства осуществляется следующим образом.The operation of the device is as follows.

Для получения удвоенного значения момента при постоянной синхронной скорости вращения необходимо произвести управление фрикционными муфтами в следующем порядке. Подается питающее напряжение на муфты 1 и 5, и отключается от питания муфту 2. При этом ротор 8 вращается на валу 4, а статор 12 остается неподвижным, так как фрикционная муфта 5 тормозит корпус статора 12. При помощи фрикционной муфты 1 происходит зацепление ротора 14, вращающегося на валу 10, что приводит к получению удвоенного момента на валу 10 от двух синхронных двигателей I и II при одинаковой частоте вращения.To obtain a double torque value at a constant synchronous speed of rotation, it is necessary to control the friction clutches in the following order. The supply voltage is applied to the clutches 1 and 5, and the clutch 2 is disconnected from the power supply. In this case, the rotor 8 rotates on the shaft 4, and the stator 12 remains stationary, since the friction clutch 5 slows down the stator housing 12. Using the friction clutch 1, the rotor 14 is engaged , rotating on the shaft 10, which leads to double the torque on the shaft 10 from two synchronous motors I and II at the same speed.

Для получения удвоенного значения скорости вращения при одинаковой величине вращающего момента необходимо произвести управление фрикционными муфтами в следующем порядке. Подаем питающее напряжение на фрикционную муфту 2 и отключаем муфты 1 и 5. При этом ротор 8 вращается на валу 4 и передает крутящий момент и скорость на статор 12 с помощью муфты 2. Ротор 14 вращается с синхронной скоростью относительно статора 12. В итоге получаем на валу 10 удвоенное значение скорости вращения при одинаковой величине вращающего момента.To obtain twice the speed of rotation with the same amount of torque, it is necessary to control the friction clutches in the following order. We supply voltage to friction clutch 2 and turn off clutches 1 and 5. At the same time, rotor 8 rotates on shaft 4 and transmits torque and speed to stator 12 using clutch 2. Rotor 14 rotates at a synchronous speed relative to stator 12. As a result, we get shaft 10 twice the value of the rotation speed with the same amount of torque.

Получение плавных изменений, а также малых значений скорости и реверс осуществляется следующим образом.Obtaining smooth changes, as well as small values of speed and reverse, is carried out as follows.

Изменяя напряжение питания

на каждом из двигателей привода, можно изменять значение механических характеристик каждого двигателя

. Следовательно, возможно управлять рабочей характеристикой

всего привода. При одинаковом значении синхронных частот вращения двигателей эта характеристика проходит через точку

,

, Фиг. 4. При различных значениях синхронных частот вращения двигателей характеристика проходит через точку

,

, Фиг. 5, где M - вращающий момент, n - результирующая скорость вращения, n_cI - скорость вращения первого двигателя, а n_cII - скорость вращения второго двигателя.By changing the supply voltage

on each of the drive motors, it is possible to change the value of the mechanical characteristics of each motor

. Therefore, it is possible to control the performance

the entire drive. With the same value of the synchronous motor speeds, this characteristic passes through the point

,

, Fig. 4. At different values of synchronous motor speeds, the characteristic passes through the point

,

, Fig. 5, where M is the torque, n is the resulting rotation speed, n _cI is the rotation speed of the first motor, and n _cII is the rotation speed of the second motor.

На Фиг. 3 характеристики двигателя II, показанному на Фиг.1, относятся к его выходному элементу (либо к статору, либо к ротору), направление вращения которого противоположно принятому за положительное вращение. Соответственно и крутящий момент, развиваемый двигателем II на выходном элементе, также имеет противоположное направление. Так как при работе привода двигатели I и II развивают одинаковые по величине моменты, то их характеристики могут быть суммированы, Фиг. 4. На Фиг. 3, 4, 5 показано, что, изменяя напряжение питания можно получить необходимую результирующую механическую характеристику, согласованную с нагрузкой рабочего механизма при заданной частоте вращения. Возможно также и одновременное изменение напряжения питания обоих двигателей в противоположных направлениях, что позволяет получить более точную результирующую механическую характеристику. Если частоты вращения двигателей привода одинаковы, то результирующие характеристики привода проходят через точку

, Фиг. 4.On FIG. 3, the characteristics of the motor II shown in FIG. 1 refer to its output element (either stator or rotor) whose direction of rotation is opposite to that taken as positive rotation. Accordingly, the torque developed by the engine II on the output element also has the opposite direction. Since the motors I and II develop the same moments during the operation of the drive, their characteristics can be summarized, Fig. 4. In FIG. 3, 4, 5 shows that by changing the supply voltage, it is possible to obtain the required resulting mechanical characteristic, consistent with the load of the working mechanism at a given speed. It is also possible to simultaneously change the supply voltage of both motors in opposite directions, which makes it possible to obtain a more accurate resulting mechanical characteristic. If the speeds of the drive motors are the same, then the resulting drive characteristics pass through the point

, Fig. four.

Если значения частот двигателей привода различны, то результирующая характеристика проходит через точку

,

.If the frequency values of the drive motors are different, then the resulting characteristic passes through the point

,

.

На Фиг. 4, 5 показано, что привод может развивать максимальный крутящий момент при малых частотах вращения. Этот момент близок к моменту, развиваемому двигателями при номинальных значениях напряжения.On FIG. 4, 5 show that the drive can develop maximum torque at low speeds. This moment is close to the moment developed by motors at nominal voltage values.

Привод допускает реверсирование вращения. Это достигается путем соответствующего изменения величин напряжений на статорах или изменения направления тока возбуждения двигателей I и II.The drive allows rotation reversal. This is achieved by a corresponding change in the voltage values on the stators or by changing the direction of the excitation current of motors I and II.

Управление частотой вращения привода может быть осуществлено одним из известных способов, например, схемой автоматического регулирования устройствами, представленной на Фиг. 6. Система состоит из датчика положения 20 и преобразователя частоты вращения 21 в нормированный сигнал. Сумматор 22 преобразует нормированный сигнал и заданное значение и передает результат на электронный контроллер 23. Контроллер выдает управляющие сигналы по определенному закону на преобразователи частоты 25.1, 25,2, выпрямители и регуляторы напряжения 24.1, 24.2 и электромагнитные муфты 1, 2, 16, 17.The speed control of the drive can be carried out by one of the known methods, for example, by the automatic control circuit of the devices shown in Fig. 6. The system consists of a position sensor 20 and a speed converter 21 into a normalized signal. The adder 22 converts the normalized signal and the set value and transmits the result to the electronic controller 23. The controller outputs control signals according to a certain law to frequency converters 25.1, 25.2, rectifiers and voltage regulators 24.1, 24.2 and electromagnetic clutches 1, 2, 16, 17.

Использование предложенных решений позволит расширить диапазон регулирования электропривода. Скорость вращения можно регулировать плавно от 0 до двойной номинальной при двухступенчатом каскаде. При увеличении ступеней каскада можно будет наращивать скорость вращения, и расширять диапазон регулирования. Причем компоненты электропривода всегда будут работать в режимах, близких к номинальному.The use of the proposed solutions will expand the range of regulation of the electric drive. The rotation speed can be adjusted steplessly from 0 to twice the nominal speed with a two-stage cascade. With an increase in the stages of the cascade, it will be possible to increase the rotation speed and expand the control range. Moreover, the components of the electric drive will always operate in modes close to the nominal.

Claims

Controlled cascade electric drive containing two electric motors having an electrical connection between them, and their shafts are rigidly connected to each other, and one of the motors is synchronous with a fixed stator, characterized in that the stators of both electric motors are installed in a common housing, and the stator of the second electric motor, which is also synchronous, is movable and mounted on bearings with the possibility of rotation relative to the shaft, and on the shaft of the first electric motor in the area of the shaft connection there is a mounting ring, on which there are two electromagnetic clutches, one of which creates contact between the friction gasket with a ledge and the housing of the movable stator, having a depression coaxial with the protrusion, the other creates contact between its friction gasket with the motor shaft and the movable stator, which has a slotted recess for the friction gasket, and the third electromagnetic clutch is fixed on the drive housing with the possibility of contact between the friction a gasket with a protrusion and a housing of a movable stator having a cavity coaxial with the protrusion of the coupling, in addition, pairs of slip rings and brushes are installed on the outer sides of the housing on the shafts of each electric motor to enable the couplings to be installed directly between the motors, and the connection between the motor windings is carried out through an electronic controller .