ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1994 года по МПК H02P5/16 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования постоянного напряжения на нагрузке при питании от сети переменного тока, в частности частоты вращения электродвигателей постоянного тока.

Известны устройства регулирования частоты вращения электродвигателя постоянного тока, содержащие однополупериодный или мостовой управляемый выпрямитель и блок фазового управления тиристорами, в которых тиристоры открываются с заданной задержкой во времени относительно начала полупериода сигналами от блока фазового управления, после чего проводят ток до спадания его ниже величин тока удержания перед концом полупериода. В таких устройствах первая гармоническая составляющая тока, потребляемого из сети, в лучшем случае синфазна с напряжением питающей сети.

Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является обеспечение регулируемого постоянного напряжения на нагрузке при опережении первой гармонической составляющей тока, потребляемого из сети, напряжения сети или их синфазности, что уменьшает потери энергии и улучшает качество электроэнергии в сетях.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в электропривод постоянного тока, содержащий электродвигатель, управляемый вентильный выпрямитель, включающий один силовой тиристор, а также блок фазового управления тиристорами, при этом вход переменного тока выпрямителя соединен с входными выводами для подключения соответствующих фаз питающей сети, а выход постоянного тока выпрямителя соединен с выводами якоря электродвигателя, для каждого силового тиристора введены блок отпирания для подачи на тиристор синхронизированного с сетью сигнала в начале полупериода или с заданной задержкой во времени, выход которого соединен с выводом управляющего электрода силового тиристора и блок запирания, первый вход которого соединен с первым выходом блока фазового управления, второй вход соединен с одним из свободных выводов фаз питающей сети, а первый и второй выходы соединены соответственно с анодом и катодом тиристора.

Техническим результатом решения поставленной задачи является устройство фазного регулирования постоянного напряжения на нагрузке, потребляющее из сети синфазный или опережающий ток, т. е. с расширенными функциональными возможностями.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, в котором управляемый выпрямитель выполнен как однофазный мост с катодной группой тиристоров; на фиг. 2 - пример реализации устройства с однополупериодным выпрямителем; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие работу схемы фиг. 2; на фиг4. - пример реализации устройства с управляемым выпрямителем в виде трехфазного моста с анодной группой тиристоров.

Электропривод (фиг. 1) содержит якорь 1 электродвигателя, подключенный к выходным выводам управляемого однофазного мостового выпрямителя из первого 2 и второго 3 тиристоров и первого 4 и второго 5 диодов. Катоды тиристоров 2 и 3 объединены так же, как и аноды диодов 4 и 5, и образуют выходные выводы выпрямителя. Объединенные анод тиристора 2 и катод диода 4 подключены к первому выводу питающей сети 6, к оставшемуся выводу сети 7 подсоединен общий вывод анода тиристора 3 и катода диода 5. Электропривод содержит, кроме того, блоки отпирания 8 и 9 тиристоров 2 и 4 соответственно, причем выходы этих блоков 1, и 11 соединены с соответствующими выводами управляющих электродов тиристоров 2 и 3, а также блоки запирания 12 и 13 тиристоров 2 и 3 соответственного и блок фазового управления 14; Первые выходы 15 и 16 блоков 12 и 13 соединены с катодами тиристоров 2 и 3 соответственно, вторые выходы 17 и 18 блоков 12 и 13 соединены с анодами тиристоров 2 и 3 соответственно, и первые входы 19, 20 блоков 12 и 13 соответственно соединены с первым и вторым выходами 21 и 22 блока 14, а вторые входы 23 и 24 блоков 12 и 13 соединены с выводами питающей сети 7 и 6 соответственно.

Блоки 8, 9 и 14 имеют первые управляющие входы 25, 26 и 27 соответственно для подачи внешних управляющих сигналов, кроме того, третий и четвертый выходы 28 и 29 блока фазового управления 14 соединены с вторыми входными выводами 30 и 31 блоков включения 8 и 9 соответственно (связь показана штриховыми линиями).

Работа предлагаемой схемы иллюстрируется на примере простого однополупериодного электропривода, который является частью устройства фиг. 1, принципиальная схема его представлена на фиг. 2, а временные диаграммы - на фиг. 3. Электропривод фиг. 2 включает силовой тиристор 2, соединенный последовательно с якорем 1 электродвигателя к выводам питающей сети переменного тока 6 и 7. Блок включения 8 тиристора 2 состоит из резистора 32 и 33, диода 34 и динистора 35; блок отключения 12 - из вспомогательного тиристора 36, диода 37 и конденсатора 38.

Резистор 32, диод 34 и резистор 33 образуют последовательную цепочку, подключенную между выводом сети 6 и выводом управляющего электрода тиристора 2, между общим выводом диода 34 с резистором 33 и катодом тиристора подключен динистор 35. Конденсатор 38 и тиристор 36 образуют последовательную цепочку, причем свободный вывод тиристора - катод образуют первый выход 15 блока 12 и соединен с катодом силового тиристора 2, свободный вывод конденсатора является вторым выходом 17 блока 12 и соединен с анодом тиристора 2, выводы катода и управляющего электрода тиристора 36 являются первым входом 19 блока 12, соединенным с первым выходом 21 блока фазового управления 14, общий вывод конденсатора 38 и анода тиристора 36 соединен с катодом диода 37, анод которого является вторым входом 23 блока запирания 17.

На фиг. 3 представлены следующие временные диаграммы: 39 - напряжение питающей сети (между выводами 6 и 7), 40 - ЭДС в якоре 1 электродвигателя, 41 - ток якоря электродвигателя (индуктивность якорной цепи не учитывается), 42 - напряжение на конденсаторе 38, 40 - пороговое напряжение динистора 35, 44 - управляющий ток отпирания тиристора 2, 45 - напряжение на динисторе 35 (ток в резисторе 33(, 46 - ток в динисторе 35.

В установившемся режиме поданное на выводы сети и6 и 7 переменное напряжение в положительный полупериод определяет протекание тока от вывода 6 через резистор 32, диод 34, резистор 33, управляющий переход тиристора 2 и якорь 1 электродвигателя к выводу сети 7 с момента времени t₁, когда напряжение сети (кривая 39) превысит ЭДС якоря 1 электродвигателя (прямая 40). При достижении током значения, равного току отпирания тиристора 2 (прямая 44), в момент времени t₂ последний откроется и подаст напряжение сети на якорь двигателя. Цепочка из резистора 32, диода 34 и резистора 33 шунтируется тиристором 2 и ток в управляющем переходе тиристора близок к нулю. Конденсатор 38 заряжен в предыдущий отрицательный полупериод питающей сети через диод 23 до амплитудного отрицательного значения напряжения (кривая 42). Якорь 1 двигателя подключен к сети до тех пор, пока блок отключения 12 не получит на вход 19 сигнал с выхода 21 блока фазового управления 14. В данном случае это сигнал, открывающий вспомогательный тиристор 36, который создает цепочку для разряда конденсатора 38 через силовой тиристор 2 навстречу току якоря. Как только ток в тиристоре 2 упадет до величины меньшей, чем ток удержания, последний закрывается (момент времени t₃) и ток в якоре определяется током перезаряда конденсатора до величины напряжения, равного разности напряжения сети и ЭДС якоря двигателя.

Запирание тиристора 2 вызывает появление тока в цепочке: резистор 32, диод 34, резистор 33 и одновременную подачу через управляющий переход тиристора 2 тока, большего тока отпирания и на динистор 35 напряжения, большего, чем его пороговое напряжение. Время отпирания тиристора 2 больше, чем время отпирания динистора 35 (в практике такое легко осуществимо) и динистор 35, открываясь, шунтирует управляющий переход тиристора 2. Как только ток через тиристор 36 прекратится (в данном случае это будет вблизи момента времени t₃), он закрывается. Начиная с момента времени t₄, когда напряжение сети станет меньше напряжения на конденсаторе 38, последний перезарядится через диод 37 и схема придет в исходное состояние. Ток якоря двигателя, равный току, потребляемому из сети (кривая 41), опережает соответствующее напряжение. Выброса тока якоря в момент времени t₃ можно избежать, включая в якорную цепь реактор и обратный диод.

Пуск электродвигателя происходит аналогично описанному выше, а т. к. сначала ЭДС якоря 1 равна нулю, то моменты времени t₁ и t₂ приближены к началу полупериода t₀. Ввиду того, что конденсатор 38 заряжается непосредственно от сети до амплитуды напряжения питания, схема работает устойчиво в широком диапазоне изменения нагрузки и скорости вращения якоря.

На фиг. 4 представлена принципиальная схема примера выполнения устройства с трехфазным мостовым полууправляемым выпрямителем.

Этот выпрямитель содержит силовые тиристоры 47, 48 и 49, аноды которых объединены, а силовые диоды 50, 512 и 52, катоды которых также объединены, а катоды тиристоров и аноды диодов попарно соединены и подключены к фазам питающей сети 53, 54 и 55. Каждый силовой тиристор имеет свой блок отпирания и свой блок запирания, подключенные независимо друг от друга. Для тиристора 47 блок отпирания образуют резистор 56, конденсатор 57, диод 58 и оптотиристор 59 (такие же элементы 60-63 - для тиристора 48 и элементы 64-67 - для тиристора 49), блок запирания выполнен так же, как и в схеме фиг. 2 и содержит для тиристора 47 первый вспомогательный тиристор 68, диод 69 и конденсатор 70 (для тиристора 48 блок запирания образуют такие же элемент 71, 72 и 73 и для тиристоров 49 - элементы 74, 75 и 76).

В блоках отпирания резисторы 56, 60 и 64 введены только для ограничения коммутационных токов в управляющих переходах тиристоров 47, 48 и 49 до допустимых значений, поэтому через конденсаторы 57, 61 и 65 протекает ток, опережающий напряжения на аноде тиристоров примерно на 90^о. Такие блоки отпирания надежно открывают тиристоры, как только напряжение на аноде станет положительным, к тому же улучшают коэффициент мощности сети.

Блок фазового управления 13 сигналами с выходов 770 78 и 79 отпирает с заданной задержкой вспомогательные тиристоры 68, 71 и 74, причем для случая, когда угол проводимости каждого из них не превышает 120 эл. градусов, а эффективность предлагаемого устройства - опережение током напряжения тем больше, чем меньше угол проводимости тиристоров.

Блоком фазового управления могут быть устройство (3, 4). В примененных простых и экономичных блоках отпирания введены оптотиристоры 59, 63 и 67, входы которых соединены с теми же выходами 77, 78 и 79 блока фазового управления для того, чтобы сделать невозможным повторное включение тиристоров после их запирания. Такая связь блока фазового управления и блоков отпирания показана на блок-схеме фиг. 1 штриховыми линиями (от выходов 28 и 29 блока 14 ко входам 30 и 31 блоков 8 и 9). Сигналом, поступающим, например, с выхода 77 блока 13, не только отпираются вспомогательный тиристор 68, но и оптотиристор 59, шунтирующий управляющий переход силового тиристора 47 и препятствующий повторному отпиранию тиристора 47 током, ограниченным конденсатором 57 и могущим протекать через его управляющий переход.

Предлагаемые схемы допускают многообразие исполнения блоков отпирания тиристоров различной степени сложности. Это и устройство синхронного включения (в начале полупериода), и различные устройства фазоимпульсного управления, и "самосинхронизирующиеся", показанные на фиг. 2 и 4. Что касается выполнения блоков запирания, то в очень простых предлагаемых таких блоках коммутирующий конденсатор перед разрядом навстречу току якоря всегда заряжен до амплитуды напряжения сети, что не только обеспечивает, как уже было указано, устойчивую работу электропровода при различных скоростях вращения и токах нагрузки, но и отдает в сеть, перезаряжаясь до отрицательного амплитудного напряжения сети, реактивную энергию, улучшая качество энергии в ней.

Использование: для регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока при питании от сети переменного тока. Сущность: для обеспечения синфазности или опережения током, потребляемым из сети, питающего напряжения, для каждого силового тиристора управляемого выпрямителя введены блок отпирания для подачи на тиристор синхронизированного с сетью сигнала с заданной задержкой во времени относительно начала полупериода, выход которого соединен с выводом управляющего электрода силового тиристора, и блок запирания, первый вход которого соединен с первым блоком фазового управления, второй вход соединен с одним из свободных выводов фаз питающей сети, а первый и второй выходы соединены соответственно с анодом и катодом тиристора. 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащий электродвигатель, управляемый вентильный выпрямитель, включающий, как минимум, один силовой тиристор, а также блок фазового управления тиристорами, при этом вход переменного тока выпрямителя соединен с входными выводами для подключения соответствующих фаз питающей сети, а выход постоянного тока выпрямителя соединен с выводами якоря электродвигателя, отличающийся тем, что для каждого силового тиристора введены блок отпирания для подачи на тиристор синхронизированного с сетью сигнала с заданной задержкой во времени относительно начала полупериода, выход которого соединен с выводом управляющего электрода силового тиристора, и блок запирания, первый вход которого соединен с первым выходом блока фазового управления, второй вход - с одним из свободных выводов фаз питающей сети, а первый и второй выходы - соответственно с анодом и катодом тиристора. 2. Электропривод по п. 1, отличающийся тем, что блок фазового управления выполнен с дополнительными выходами по числу силовых тиристоров, а введенные блоки отпирания выполнены с дополнительными входами, каждый из которых соединен с соответствующим дополнительным выходом блока. 3. Электропривод по п. 1, отличающийся тем, что каждый из блоков запирания тиристора, подключенного анодом к одному из выводов фаз питающей сети, выполнен в виде вспомогательного тиристора, диода и конденсатора, при этом вспомогательный тиристор и конденсатор образуют последовательную цепочку, подсоединенную к силовым выводам запираемого тиристора так, что катоды тиристоров объединены, общий вывод вспомогательного тиристора и конденсатора соединен с катодом диода, а оставшийся вывод последнего соединен с одним из свободных выводов фаз питающей сети. 4. Электропривод по п. 1, отличающийся тем, что каждый из блоков запирания тиристора, подключенного катодом к одному из выводов фаз питающей сети, выполнен в виде вспомогательного тиристора, диода и конденсатора, при этом вспомогательный тиристор и конденсатор образуют последовательную цепочку, подсоединенную к силовым выводам запираемого тиристора так, что аноды тиристоров объединены, общий вывод вспомогательного тиристора и конденсатора соединен с анодом диода, а оставшийся вывод последнего соединен с одним из свободных выводов фаз питающей сети.