ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА (ЕГО ВАРИАНТЫ) Российский патент 2008 года по МПК H02P1/30 H02P6/14 H02P6/20 H02P27/04 H02M7/516 

Заявляемое техническое решение относится к электротехнике, а именно к электроприводам переменного тока, в состав которых входит преобразователь частоты, например, для пуска и управления работой асинхронных или синхронных электроприводов (при рабочих напряжениях 6...10 кВ и мощности до десятков МВт).

Известно устройство [1] для питания трехфазного электродвигателя, выполненное на основе инвертора тока с использованием дополнительного диодного трехфазного моста и двух узлов коммутации. Каждый из узлов коммутации выполнен в виде полууправляемого однофазного моста, содержащего диоды и GTO-тиристоры, в диагональ которого включен коммутирующий конденсатор. Недостаток этого устройства - повышенные потери в полупроводниковых элементах вследствие того, что в процессе коммутации ток протекает по цепи, содержащей значительное число последовательно включенных диодов и тиристоров. Кроме того, в этом устройстве отсутствует возможность существенно влиять на коэффициент мощности, что не позволяет достичь технико-экономических показателей, близких к оптимальным.

Известно также устройство [2] для питания фазных обмоток синхронного электродвигателя, включающее в себя источник регулируемого постоянного тока, к которому подключен коммутируемый нагрузкой трехфазный мостовой инвертор. В устройстве [2] используются источники вспомогательных ЭДС, каждый из которых выполнен в виде коммутатора, состоящего из конденсатора и 4-х одинаковых, полностью управляемых вентилей, обладающих обратной проводимостью, соединенных по схеме однофазного моста. Источники вспомогательных ЭДС, подключенные к инвертору последовательно с фазными обмотками синхронного электродвигателя, создают дополнительную составляющую обратного напряжения, приложенного к выключаемому тиристору, действующую во время и по окончании спада тока в выключаемом тиристоре до нулевого значения. Такое решение позволяет уменьшить угол опережения фазным током фазного напряжения электродвигателя, что улучшает использование электродвигателя.

Данное техническое решение является наиболее близким к заявляемому техническому решению по своей сущности и техническому результату.

Однако техническое решение [2] имеет недостатки, обусловленные большим числом полупроводниковых элементов, используемых в источниках вспомогательных ЭДС (коммутаторах). Это повышенная стоимость и пониженная надежность, а также значительные потери энергии в коммутаторах вследствие того, что рабочий ток фазы проходит через два последовательно включенных полупроводниковых элемента каждого коммутатора. Отмеченные недостатки негативно влияют на технико-экономические показатели и надежность работы электропривода в целом.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в обеспечении пусковых и рабочих режимов электропривода при использовании уменьшенного, в сравнении с прототипом [2], числа полупроводниковых элементов, а также применения коммутирующих конденсаторов меньшей емкости.

При решении поставленной задачи достигаемый технический результат заключается в снижении стоимости электропривода, повышении его технико-экономических показателей и уменьшении затрат на текущее эксплуатационное обслуживание.

В соответствии с первым вариантом предложенного технического решения указанная задача решается тем, что в известном высоковольтном электроприводе переменного тока с трехфазным электродвигателем, включающем в себя источник регулируемого постоянного тока; трехфазный мостовой инвертор, подключенный к упомянутому источнику и состоящий из шести одинаковых полууправляемых вентилей (например, тиристоров); коммутирующие устройства, подключенные к выводам переменного тока упомянутого инвертора последовательно с фазами трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя; датчики токов и напряжений электродвигателя и устройства управления инвертором и коммутирующими устройствами, согласно заявляемому техническому решению каждое коммутирующее устройство представляет собой коммутатор, содержащий конденсатор с двумя выводами, и двунаправленный симметричный, полностью управляемый полупроводниковый ключ, имеющий два вывода и обладающий управляемой проводящей способностью как в направлении от первого вывода ко второму, так и в направлении от второго вывода к первому и управляемой блокирующей способностью как в направлении от первого вывода ко второму, так и в направлении от второго вывода к первому; первый вывод упомянутого ключа, подключенный к первому выводу конденсатора, образует первый вывод коммутатора, который подключен к соответствующему выводу переменного тока вышеупомянутого инвертора, второй вывод упомянутого ключа, подключенный ко второму выводу конденсатора, образует второй вывод коммутатора, который подключен к выводу соответствующей фазы упомянутого электродвигателя.

В соответствии со вторым вариантом предложенного технического решения указанная задача решается тем, что в известном высоковольтном электроприводе переменного тока с трехфазным электродвигателем, включающем в себя источник регулируемого постоянного тока; трехфазный мостовой инвертор, подключенный к упомянутому источнику и состоящий из шести одинаковых полууправляемых вентилей (например, тиристоров); коммутирующие устройства, подключенные к выводам переменного тока упомянутого инвертора последовательно с фазами трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя; датчики токов и напряжений электродвигателя и устройства управления инвертором и коммутирующими устройствами, согласно заявляемому техническому решению первые выводы фаз упомянутого электродвигателя подключены к соответствующим выводам переменного тока упомянутого инвертора; каждое коммутирующее устройство представляет собой коммутатор, содержащий конденсатор с двумя выводами, и двунаправленный симметричный, полностью управляемый полупроводниковый ключ, имеющий два вывода и обладающий управляемой проводящей способностью как в направлении от первого вывода ко второму, так и в направлении от второго вывода к первому и управляемой блокирующей способностью как в направлении от первого вывода ко второму, так и в направлении от второго вывода к первому; в каждом коммутаторе первый вывод упомянутого ключа подключен к первому выводу конденсатора и образует первый вывод коммутатора, а второй вывод ключа подключен ко второму выводу конденсатора и образует второй вывод коммутатора; коммутаторы соединены в «звезду» и подключены к соответствующим вторым выводам фаз упомянутого электродвигателя, то есть первый вывод каждого коммутатора подключен ко второму выводу соответствующей фазы упомянутого электродвигателя, вторые выводы каждого коммутатора подключены друг к другу и образуют нулевую точку трехфазной системы упомянутого электродвигателя.

В соответствии с третьим вариантом предложенного технического решения указанная задача решается тем, что в известном высоковольтном электроприводе переменного тока с трехфазным электродвигателем, включающем в себя источник регулируемого постоянного тока; трехфазный мостовой инвертор, подключенный к упомянутому источнику и состоящий из шести одинаковых полууправляемых вентилей (например, тиристоров); коммутирующие устройства, подключенные к выводам переменного тока упомянутого инвертора последовательно с фазами трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя; датчики токов и напряжений электродвигателя и устройства управления инвертором и коммутирующими устройствами, согласно заявляемому техническому решению первые выводы фаз упомянутого электродвигателя подключены к соответствующим выводам переменного тока упомянутого инвертора; каждое коммутирующее устройство представляет собой коммутатор, содержащий конденсатор с двумя выводами, и двунаправленный симметричный, полностью управляемый полупроводниковый ключ, имеющий два вывода и обладающий управляемой проводящей способностью как в направлении от первого вывода ко второму, так и в направлении от второго вывода к первому и управляемой блокирующей способностью как в направлений от первого вывода ко второму, так и в направлении от второго вывода к первому; в каждом коммутаторе первый вывод упомянутого ключа подключен к первому выводу конденсатора и образует первый вывод коммутатора, а второй вывод ключа подключен ко второму выводу конденсатора и образует второй вывод коммутатора; коммутаторы соединены в «треугольник» и подключены к соответствующим вторым выводам фаз упомянутого электродвигателя, то есть первый вывод первого коммутатора подключен ко второму выводу первой фазы упомянутого электродвигателя и второму выводу третьего коммутатора, первый вывод второго коммутатора подключен ко второму выводу второй фазы упомянутого электродвигателя и второму выводу первого коммутатора, первый вывод третьего коммутатора подключен ко второму выводу третьей фазы упомянутого электродвигателя и второму выводу второго коммутатора.

В соответствии с первым, или со вторым, или с третьим вариантом предложенного технического решения указанная задача решается тем, что в известном высоковольтном электроприводе переменного тока согласно заявляемому техническому решению двунаправленный симметричный, полностью управляемый полупроводниковый ключ образован двумя встречно включенными IGBT транзисторами;

Кроме этого, в соответствии с первым, или со вторым, или с третьим вариантом предложенного технического решения указанная задача решается тем, что в известном высоковольтном электроприводе переменного тока согласно заявляемому техническому решению двунаправленный симметричный, полностью управляемый полупроводниковый ключ образован двумя встречно-параллельно включенными GTO (или IGCT) тиристорами, обладающими блокирующей способностью в непроводящем направлении.

Кроме этого, в соответствии с первым, или со вторым, или с третьим вариантом предложенного технического решения указанная задача решается тем, что в известном высоковольтном электроприводе переменного тока согласно заявляемому техническому решению двунаправленный симметричный, полностью управляемый полупроводниковый ключ содержит два GTO (или IGCT) тиристора, не обладающих блокирующей способностью в непроводящем направлении, и два диода; упомянутые GTO (или IGCT) тиристоры и диоды подключены по схеме однофазного полууправляемого моста таким образом, что выводы постоянного тока упомянутого моста подключены друг к другу, а выводы переменного тока служат для подключения к вышеупомянутому в п.1, или в п.2, или в п.3 конденсатору.

Кроме этого, в соответствии с первым, или со вторым, или с третьим вариантом предложенного технического решения указанная задача решается тем, что в известном высоковольтном электроприводе переменного тока согласно заявляемому техническому решению каждое коммутирующее устройство образовано последовательно подключенными двумя или более коммутаторами.

Кроме этого, в соответствии с первым, или со вторым, или с третьим вариантом предложенного технического решения указанная задача решается тем, что в известном высоковольтном электроприводе переменного тока согласно заявляемому техническому решению к выводам каждого коммутатора параллельно подключен ограничитель напряжения.

Кроме этого, в соответствии с первым, или со вторым, или с третьим вариантом предложенного технического решения указанная задача решается тем, что в известном высоковольтном электроприводе переменного тока согласно заявляемому техническому решению к выводам каждого коммутатора параллельно подключен ограничитель напряжения и дополнительно параллельно подключена электрическая цепь, имеющая два вывода, состоящая из двух подключенных последовательно групп: первая группа образована двумя подключенными встречно-параллельно тиристорами с большим значением ударного тока; вторая группа образована параллельно подключенными резистором и индуктивным элементом.

На фиг.1 представлена структурная схема первого варианта заявляемого высоковольтного электропривода переменного тока.

На фиг.2 представлена схема второго варианта заявляемого высоковольтного электропривода переменного тока.

На фиг.3 представлена структурная схема третьего варианта заявляемого высоковольтного электропривода переменного тока.

На фиг.4а, b, с представлены варианты выполнения двунаправленного симметричного полностью управляемого полупроводникового ключа, входящего в состав каждого из коммутирующих устройств, подключенных в фазах А, В и С:

Фиг.4а - ключ образован двумя встречно включенными IGBT транзисторами,

Фиг.4b - ключ образован двумя встречно включенными GTO тиристорами, обладающими блокирующей способностью в непроводящем направлении,

Фиг.4с - ключ выполнен по схеме однофазного полууправляемого моста и образован двумя встречно включенными GTO тиристорами, не обладающими блокирующей способностью в непроводящем направлении, и двумя диодами.

На фиг.5 представлена структурная схема заявляемого высоковольтного электропривода переменного тока, в котором каждое коммутирующее устройство образовано последовательно подключенными двумя или более коммутаторами.

На фиг.6 и 7 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы первого и второго вариантов заявляемого технического решения.

На фиг.8 представлены мгновенные схемы электропривода, поясняющие последовательность переключений при коммутации тиристоров инвертора в электроприводе по первому и второму вариантам заявляемого технического решения.

На фиг.9 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы третьего варианта заявляемого технического решения.

На фиг.10 представлены мгновенные схемы электропривода, поясняющие последовательность переключений при коммутации тиристоров инвертора в электроприводе по третьему варианту заявляемого технического решения.

На фиг.11 и 12 приведены сравнительные результаты моделирования на программном комплексе ЕЛТРАН заявляемого электропривода и технического решения [2].

На фиг.13 представлен вариант выполнения заявляемого электропривода, в котором к выводам каждого коммутатора параллельно подключен ограничитель напряжения.

На фиг.14 представлен вариант выполнения заявляемого электропривода, в котором к выводам каждого коммутатора параллельно подключены ограничитель напряжения и дополнительно электрическая цепь, состоящая из двух встречно-параллельно включенных тиристоров и соединенных последовательно с ними резистора и индуктивного элемента, подключенных параллельно друг другу.

Устройство заявляемого технического решения в его статическом состоянии описано по схеме на фиг.1 - для первого варианта заявляемого высоковольтного электропривода переменного тока, по схеме на фиг.2 - для его второго варианта и по схеме на фиг.3 - для его третьего варианта.

На фиг.1 представлена структурная схема первого варианта заявляемого высоковольтного электропривода переменного тока.

Высоковольтный электропривод переменного тока включает в себя источник регулируемого постоянного тока, образованный трехфазным мостовым выпрямителем 1 и сглаживающим дросселем 2, к которому подключен трехфазный тиристорный инвертор 3, к выходным фазным зажимам которого последовательно с фазами трехфазной обмотки электродвигателя 7 подключены коммутирующие устройства 4, каждое из которых представляет собой коммутатор, содержащий конденсатор 5 с двумя выводами, и двунаправленный симметричный полностью управляемый полупроводниковый ключ 6. Кроме того, в схеме электропривода присутствуют датчики фазных токов и датчики напряжений (на схемах не показаны) электродвигателя 7, а также устройства управления коммутирующими устройствами 4 и устройства управления инвертором 3 (на представленных схемах устройства управления не показаны). Возможны разные варианты исполнения ключа 6. Основные из них, имеющие наибольшее практическое значение, представлены на фиг.4.

На фиг.1 (а также на фиг.2 и фиг.3) ключ 6 образован двумя встречно включенными IGBT транзисторами. Каждый из транзисторов имеет в своем обозначении заглавную букву А, В или С в соответствии с тем, в какой фазе А, В или С находится соответствующий ключ 6, с добавлением индекса «р» - positive или «n» - negative, например, Ар - транзистор в фазе А, проводящий в положительном направлении тока, Cn - транзистор в фазе С, проводящий в отрицательном направлении тока. Индекс «р» соответствует принятому положительному направлению тока в фазах электродвигателя 7 - от положительной шины инвертора 3 через тиристоры 8, 9 или 10 анодной группы к выводам фаз А, В и С электродвигателя 7. Соответственно индекс «n» соответствует принятому отрицательному направлению тока в фазах электродвигателя 7 - от выводов фаз А, В и С электродвигателя 7 к отрицательной шине инвертора 3 через тиристоры 11, 12 или 13 катодной группы инвертора 3. Положительное направление для напряжений на фазах электродвигателя 7 совпадает с положительным направлением, принятым для токов.

На фиг.2 представлена структурная схема второго варианта заявляемого высоковольтного электропривода переменного тока, отличающаяся от схемы первого варианта способом подключения коммутирующих устройств 4, используемым в случае, когда электродвигатель 7 имеет трехфазную обмотку с шестью выводами.

На фиг.3 представлена структурная схема третьего варианта заявляемого высоковольтного электропривода переменного тока. В отличие схемы по второму варианту (фиг.2), в которой коммутирующие устройства 4 соединены в «звезду», в схеме по третьему варианту (фиг.3) коммутирующие устройства 4 соединены в «треугольник».

На фиг.1, 2 и 3 каждое из коммутирующих устройств 4, подключенных в фазы А, В, С электродвигателя 7, представлено одним коммутатором, состоящим, как уже указано выше, из конденсатора 5 с двумя выводами и двунаправленного симметричного полностью управляемого полупроводникового ключа 6, причем ключ 6 выполнен на IGBT транзисторах. На фиг.4а, b, с представлены возможные варианты исполнения двунаправленного симметричного полностью управляемого полупроводникового ключа 6, использование которых зависит от уровня напряжений в схеме электропривода, а также от величины токов в фазах электродвигателя 7. На фиг.4а - ключ 6 образован двумя встречно включенными IGBT транзисторами, как это показано и на фиг.1, 2, 3. На фиг.4b - представлен вариант ключа 6, образованного двумя встречно включенными GTO тиристорами, обладающими блокирующей способностью в непроводящем направлении. На фиг.4с представлен вариант ключа 6, выполненного по схеме однофазного полууправляемого моста и образован двумя встречно включенными GTO тиристорами, не обладающими блокирующей способностью в непроводящем направлении, и двумя диодами.

В случае, когда уровень фазных напряжений электродвигателя 7 близок или существенно превышает допустимые значения рабочих напряжений полупроводников, применяемых в составе ключа 6, целесообразно использовать коммутирующие устройства 4, состоящие из последовательно подключенных двух или более коммутаторов, как это показано на фиг.5.

Работа заявляемого технического решения в соответствии с его первым вариантом, а также назначение и принцип действия коммутирующих устройств 4, обеспечивающих необходимые условия для коммутации тиристоров инвертора 3, поясняется при помощи схем на фиг.1 и фиг.8 и при помощи временных диаграмм, представленных на фиг.6 и фиг.7.

На фиг.6 изображены мгновенные значения (синусоиды) линейных ЭДС трехфазной обмотки электродвигателя 7, обозначенные (-Uab), (-Ubc), (-Uca), поскольку знак этих ЭДС противоположен знаку линейных напряжений Uab, Ubc, Uca.

Ниже условно изображены синхросигналы sUa, sUb, sUc, совпадающие по фазе с фазными напряжениями Ua, Ub, Uc электродвигателя 7.

За начало отсчета текущего угла θ=ωt принята точка пересечения основной ЭДС коммутации (-Uab) с осью абсцисс.

На фиг.6 представлены также кривые мгновенных значений токов в фазах А, В и С: ia, ib, ic. Там же обозначены номера тиристоров инвертора 3, проводящих соответствующие токи. На фиг.7 повторена часть диаграмм, представленных на фиг.6, а именно: диаграммы синхросигналов sUa, sUb, sUc и диаграммы мгновенных значений токов в фазах А, В и С: ia, ib, ic. На фиг.7 представлены также диаграммы напряжений на конденсаторах 5, обозначенных условно следующим образом: Wa - напряжение на конденсаторе 5 коммутирующего устройства 4, подключенного между выводами фазы А инвертора 3 и электродвигателя 7 (см. фиг.1), Wb - то же - между выводами фазы В, We - то же - между выводами фазы С. За положительное направление напряжения на конденсаторах 5 принято такое, при котором на левой (по изображению на фиг.1) обкладке конденсатора 5 имеется «+», а на правой обкладке - «-». На фиг.7 изображены также управляющие сигналы транзисторов Ар, An, Bp, Bn, Ср, Cn коммутирующих устройств 4, определяющие проводящее состояние транзисторов.

Пусть в момент времени t0 (соответствующий угол на диаграмме на фиг.7 равен θ0=ωt0) токи проходят в фазах А и В электродвигателя 7 и инвертора 3, причем в фазе А - в отрицательном направлении (проводит тиристор 11), а в фазе В - в положительном направлении (проводит тиристор 9). Путь прохождения тока от положительной шины инвертора 3 к его отрицательной шине (см. фиг.8а): тиристор 9 - транзистор Bp - обратный диод транзистора Bn - фазы В и А электродвигателя 7 - транзистор An - обратный диод транзистора Ар - тиристор 11.

Пусть в момент времени t2 (на фиг.7) система управления тиристорами инвертора 3 должна обеспечить начало отключения тока в фазе В и начало включения тока в фазе С, т.е. подать открывающий импульс на тиристор 10. Для обеспечения коммутации тока с тиристора 9 фазы В на тиристор 10 фазы С система управления коммутирующими устройствами 4 на время коммутации (от t=t2 до t=t3), которому соответствует угол коммутации γ=ωt3-ωt2, образует контур коммутации (см. фиг.8b), состоящий из включаемого тиристора 10, отрицательно заряженного конденсатора 5, входящего в состав коммутирующего устройства 4 в фазе С, обмотки фазы С электродвигателя 7, обмотки фазы В электродвигателя 7, конденсатора 5, входящего в состав коммутирующего устройства 4 фазы В, и отключаемого тиристора 9. На интервале коммутации t2...t3 конденсатор 5 в фазе В имеет положительную полярность, а конденсатор 5 в фазе С имеет отрицательную полярность (см. фиг.7 и фиг.8b). Из фиг.8b видно, что сумма напряжений на упомянутых выше конденсаторах 5, взятая вдоль контура коммутации, способствует отпиранию тиристора 10 и запиранию тиристора 9.

Из рассмотрения временных диаграмм для напряжений на конденсаторах 5 на фиг.7 следует, что в момент времени t=t0 (при угле θ0=ωt0) напряжение Wс на конденсаторе 5 в фазе С равно максимальному отрицательному значению, а напряжение Wb на конденсаторе 5 в фазе В равно нулю.

Для того чтобы к моменту начала коммутации t2 на этом конденсаторе появилось напряжение с полярностью, показанной на фиг.8b, т.е. чтобы создать в контуре коммутации достаточную коммутирующую ЭДС, которая бы обеспечила отрицательное напряжение на отключаемом тиристоре 9 на время коммутации тока с тиристора 9 на тиристор 10 и дополнительно на время восстановления тиристором 9 запирающей способности, в момент времени t1, предшествующий моменту t2 включения тиристора 10, выключают транзистор Вр (см. фиг.7). Угол опережения β=ω·(t2-t1) задается системой управления коммутирующими устройствами 4 автоматически в зависимости от величины коммутируемого тока. В результате отключения транзистора Вр начинает заряжаться конденсатор 5 фазы В. Заряд конденсатора происходит током нагрузки (током фазы В электродвигателя 7). К моменту времени t1 напряжение на конденсаторе 5 фазы В, зависящее от угла опережения β, достигает значения, близкого к расчетному по условиям обеспечения коммутации тока за расчетное время. Как видно из фиг.7, на интервале коммутации (t2...t3) напряжение Wc конденсатора 5 фазы С несколько уменьшается, однако коммутирующая ЭДС остается почти неизменной, т.к. напряжение Wb конденсатора 5 фазы В в это время увеличивается. На фиг.8с показан контур тока по окончании коммутации. Подобным образом происходят процессы коммутации остальных тиристоров инвертора 3 в рабочем режиме.

Работа заявляемого технического решения по его второму варианту (фиг.2) происходит аналогично вышеописанному для варианта 1. Применение заявляемого технического решения по второму варианту (фиг.2) в случае, когда электродвигатель 7 имеет трехфазную обмотку с шестью выводами, является с практической точки зрения более предпочтительным, чем по первому варианту (фиг.1), т.к. в этом случае разность потенциалов между коммутирующими устройствами 4 разных фаз оказывается существенно меньше, что уменьшает степень взаимного влияния, упрощает решение вопросов изоляции и, в целом, облегчает размещение коммутирующих устройств 4 в силовом шкафу.

Существенным признаком заявляемого технического решения по первому (фиг.1) и по второму варианту (фиг.2), отличающим его от известного технического решения [2], является меньшее число установленных в каждом коммутирующем устройстве полупроводниковых элементов. Кроме того, в заявляемом техническом решении изменением угла опережения β можно получить любое необходимое для практического применения значение напряжения на конденсаторе 5. Это позволяет применять конденсаторы 5 существенно меньшей емкости в сравнении с техническим решением [2], что удешевляет электропривод. Другим существенным признаком вышеупомянутых заявляемых технических решений в сравнении с известным техническим решением [2] является то, что коммутирующая ЭДС, в состав которой входят (см. фиг.7) напряжения конденсаторов 5, изменяется без скачков, что снижает требования к демпфирующим цепям коммутирующих устройств. Отмеченные преимущества позволяют удешевить электропривод и повысить надежность его работы.

Работа заявляемого технического решения в соответствии с его третьим вариантом, а также назначение и принцип действия коммутирующих устройств 4, обеспечивающих необходимые условия для коммутации тиристоров инвертора 3, поясняется при помощи схем на фиг.3 и фиг.10 и при помощи временных диаграмм, представленных на фиг.9. На фиг.9 изображены мгновенные значения линейных ЭДС трехфазной обмотки электродвигателя 7, обозначенные (-Uab), (-Ubc), (-Uca) (аналогично изображению на фиг.6). Ниже условно изображены синхросигналы sUa, sUb, sUc, совпадающие по фазе с фазными напряжениями Ua, Ub, Uc электродвигателя 7. На фиг.9 представлены также кривые мгновенных значений токов в фазах А, В и С: ia, ib, ic. Там же обозначены номера тиристоров инвертора 3, проводящих соответствующие токи, а также представлены диаграммы напряжений на конденсаторах 5, обозначенных условно следующим образом: Wab - напряжение на конденсаторе 5 коммутирующего устройства 4, подключенного между выводами фаз А и В электродвигателя 7 (см. фиг.3), Wbc - то же - между выводами фаз В и С электродвигателя 7 (см. фиг.3), Wca - то же - между выводами фаз С и А. За положительное направление напряжения на конденсаторах 5 принято такое, при котором на левой (по изображению на фиг.3) обкладке конденсатора 5 имеется «+», а на правой обкладке - «-». На фиг.9 изображены также управляющие сигналы транзисторов Ар, An, Вр, Bn, Ср, Cn коммутирующих устройств 4, определяющие проводящее состояние транзисторов.

Пусть в момент времени t0 (соответствующий угол на диаграмме на фиг.9 равен θ0=ωt0) токи проходят в фазах В и С электродвигателя 7 и инвертора 3, причем в фазе В - в отрицательном направлении (проводит тиристор 12), а в фазе С - в положительном направлении (проводит тиристор 10). Путь прохождения тока от положительной шины инвертора 3 к его отрицательной шине (см. фиг.10а): тиристор 10 - фаза С электродвигателя 7 - транзистор Bn - обратный диод транзистора Вр - фаза В электродвигателя 7 - тиристор 12.

Пусть в момент времени t2 (на фиг.9) система управления тиристорами инвертора 3 должна обеспечить начало отключения тока в фазе С и начало включения тока в фазе А, т.е. подать открывающий импульс на тиристор 8. Для обеспечения коммутации тока с тиристора 10 фазы С на тиристор 8 фазы А система управления коммутирующими устройствами 4 в момент времени t1, предшествующий моменту t2 включения тиристора 8, выключает транзистор Bn (см. фиг.9, фиг.10а, фиг.10b). Угол опережения β=ω·(t2-t1) задается системой управления коммутирующими устройствами 4 автоматически в зависимости от величины коммутируемого тока. В результате отключения транзистора Bn начинает заряжаться конденсатор 5 коммутирующего устройства 4, подключенного между фазами В и С (фиг.10b). Заряд конденсатора происходит током нагрузки (током фазы В электродвигателя 7). К моменту времени t2 (к началу коммутации) напряжение Wbc на этом конденсаторе (см. фиг.9), зависящее от угла опережения β, достигает значения, близкого к расчетному по условиям обеспечения коммутации тока за расчетное время. Одновременно с зарядом конденсатора 5 коммутирующего устройства 4, подключенного между фазами В и С, происходит небольшой дозаряд конденсатора 5 коммутирующего устройства 4, подключенного между фазами С и А, а также разряд конденсатора 5 коммутирующего устройства 4, подключенного между фазами А и В. В момент времени t2 система управления отпирает тиристор 8, начинается коммутация тока с тиристора 10 на тиристор 8. В контуре коммутации, показанном на фиг.10с, напряжение Wca конденсатора 5 коммутирующего устройства 4, подключенного между фазами С и А, способствует ускорению коммутации. На фиг.10d показан контур тока по окончании коммутации. Подобным образом происходят процессы коммутации остальных тиристоров инвертора 3 в рабочем режиме.

Третий вариант заявляемого технического решения (фиг.3) в сравнении с известным техническим решением [2] имеет те же преимущества, что и первый (фиг.1) и второй (фиг.2) варианты. Дополнительным преимуществом третьего варианта в сравнении с известным техническим решением [2], а также в сравнении с первым и вторым вариантом заявляемого технического решения является то, что рабочий ток электродвигателя 7 протекает через вдвое меньшее количество полупроводниковых элементов. Это позволяет уменьшить потери электроэнергии в электроприводе, что дает определенные конструктивные преимущества в связи с упрощением устройств охлаждения и некоторую экономическую выгоду за счет повышения КПД электропривода.

На фиг.11 и 12 приведены результаты математического моделирования на программном комплексе ЕЛТРАН, проведенные с целью сравнения гармонического состава линейного напряжения на выходе инвертора 3 (обозначение на фиг.11 и 12 - KABI), в заявляемом электроприводе (фиг.11) и в электроприводе, выполненном по техническому решению [2] (фиг.12). В верхней части фиг.11 и 12 представлены временная диаграмма фазных токов электродвигателя и напряжений на коммутирующих конденсаторах. Ниже представлена временная диаграмма, изображающая линейную ЭДС электродвигателя (гладкая синусоида), линейное напряжение на выходе инвертора (кривая со скачками напряжения, огибающая синусоиду) и в верхней части этой диаграммы представлено напряжение нейтрали (пульсирующая кривая с постоянной составляющей). В нижней части фиг.11 и 12 представлены таблицы, указывающие процентный состав гармоник (с 1-й по 15-ю) линейного напряжения на выходе инвертора. Из сравнения данных таблиц видно, что процентное содержание высших гармоник в заявляемом электроприводе (фиг.11) несколько меньше, чем в сравниваемом электроприводе [2] (фиг.12), что является дополнительным преимуществом заявляемого технического решения.

На фиг.13 представлен вариант выполнения заявляемого электропривода, в котором к выводам каждого коммутатора 4 параллельно подключен ограничитель напряжения 14, назначение которого - устранять перенапряжения на выводах коммутирующего устройства 4, возможные при переходных и нештатных процессах в электроприводе. Ограничитель 14 может применяться в каждом из трех заявляемых вариантов электропривода. Классификационное напряжение ограничителя напряжения 14 выбирается приблизительно на 20% больше максимального рабочего напряжения на конденсаторе 5.

На фиг.14 представлен вариант выполнения заявляемого электропривода, в котором к выводам каждого коммутатора 4 параллельно подключены ограничитель напряжения 14 и дополнительно электрическая цепь, состоящая из двух соединенных последовательно групп: первая группа 15 состоит из встречно-параллельно включенных тиристоров, вторая группа 16 состоит из резистора и индуктивного элемента, подключенных параллельно друг другу. Назначение дополнительной цепи - защита элементов коммутирующего устройства 4 в случае аварийного режима - короткого замыкания на зажимах электродвигателя 7. Необходимость такой защиты обусловлена тем, что полностью управляемые ключевые элементы (IGBT, IGCT), применяемые в коммутирующих устройствах 4, имеют меньший ударный ток, чем тиристоры инвертора 3.

В группе 15 применяются тиристоры с тем же ударным током, что и тиристоры инвертора 3, а параметры резистора и индуктивного элемента (импеданс группы 16) выбираются таким образом, чтобы при протекании ударного тока падение напряжения на дополнительной цепи, состоящей из групп 15 и 16, превышало максимальное рабочее напряжение на конденсаторе 5 не более, чем на 20%.

В режиме короткого замыкания в нагрузке электропривод работает следующим образом:

- система управления электроприводом фиксирует критическое значение тока в фазах электродвигателя 7,

- основные ключи, т.е. транзисторы Ар, An, Вр, Bn, Ср, Cn коммутирующих устройств 4 выключаются,

- включаются тиристоры групп 15 каждого из коммутирующих устройств. Применение ограничителей напряжения 14 и дополнительных электрических цепей, состоящих из двух соединенных последовательно групп 15 и 16, позволяет повысить надежность и ресурс работы заявляемого электропривода.

Источники информации

1. Offenlegwigsschrift DE 3536922 A1, Int. C1.⁴ H02M 7/521, 17.10.1985, Selbstgefürter Wechselrichter mit eingeprägtem Strom (Автономный инвертор тока). Still Ludwig.

2. Патент на полезную модель №59345, 10.12.2006 г., Высоковольтный преобразователь частоты для пуска и регулирования скорости мощного электродвигателя, имеющего одну или несколько трехфазных обмоток (его варианты), H02M 7/521, Н02Р 6/14, Н02Р 6/22, Г.М.Мустафа и др.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электроприводам переменного тока, в состав которых входит преобразователь частоты, и может быть использовано для пуска и управления работой асинхронных или синхронных электроприводов при рабочих напряжениях 6...10 кВ и мощности до десятков МВт. Техническим результатом является снижение стоимости, повышение технико-экономических показателей, уменьшение затрат на текущее эксплуатационное обслуживание электропривода. Высоковольтный электропривод переменного тока с трехфазным электродвигателем содержит источник регулируемого постоянного тока. трехфазный мостовой тиристорный инвертор, коммутирующие устройства, подключенные к выводам переменного тока инвертора последовательно с фазами трехфазной обмотки электродвигателя, датчики токов и напряжений и устройства управления инвертором и коммутирующими устройствами. Каждое коммутирующее устройство содержит конденсатор с двумя выводами и подключенный параллельно ему двунаправленный симметричный, полностью управляемый полупроводниковый ключ. Включение коммутирующего устройство в электроприводе осуществлено так, как указано в материалах заявки для каждого из трех вариантов. В электроприводе для каждого из вариантов обеспечивается защита полупроводниковых ключей при нештатных и аварийных ситуациях. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Высоковольтный электропривод переменного тока с трехфазным электродвигателем, включающий в себя источник регулируемого постоянного тока, трехфазный мостовой инвертор, подключенный к упомянутому источнику и состоящий из шести одинаковых полууправляемых вентилей (например, тиристоров), коммутирующие устройства, подключенные к выводам переменного тока упомянутого инвертора последовательно с фазами трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя, и устройства управления инвертором и коммутирующими устройствами, отличающийся тем, что каждое коммутирующее устройство представляет собой коммутатор, содержащий конденсатор с двумя выводами, и двунаправленный симметричный полностью управляемый полупроводниковый ключ, имеющий два вывода и обладающий управляемой проводящей способностью как в направлении от первого вывода ко второму, так и в направлении от второго вывода к первому и управляемой блокирующей способностью как в направлении от первого вывода ко второму, так и в направлении от второго вывода к первому; первый вывод упомянутого ключа, подключенный к первому выводу конденсатора, образует первый вывод коммутатора, который подключен к соответствующему выводу переменного тока вышеупомянутого инвертора, второй вывод упомянутого ключа, подключенный ко второму выводу конденсатора, образует второй вывод коммутатора, который подключен к выводу соответствующей фазы упомянутого электродвигателя.2. Высоковольтный электропривод переменного тока по п.1, отличающийся тем, что двунаправленный симметричный полностью управляемый полупроводниковый ключ образован двумя встречно включенными IGBT транзисторами.3. Высоковольтный электропривод переменного тока по п.1, отличающийся тем, что двунаправленный симметричный полностью управляемый полупроводниковый ключ образован двумя встречно-параллельно включенными GTO (или IGCT) тиристорами, обладающими блокирующей способностью в непроводящем направлении.4. Высоковольтный электропривод переменного тока по п.1, отличающийся тем, что двунаправленный симметричный полностью управляемый полупроводниковый ключ содержит два GTO (или IGCT) тиристора, не обладающих блокирующей способностью в непроводящем направлении, и два диода, упомянутые ОТО (или IGCT) тиристоры и диоды подключены по схеме однофазного полууправляемого моста таким образом, что выводы постоянного тока упомянутого моста подключены друг к другу, а выводы переменного тока служат для подключения к вышеупомянутому конденсатору.5. Высоковольтный электропривод переменного тока по п.1, отличающийся тем, что каждое коммутирующее устройство образовано последовательно подключенными двумя или более коммутаторами.6. Высоковольтный электропривод переменного тока по п.1, отличающийся тем, что к выводам каждого коммутатора параллельно подключен ограничитель напряжения.7. Высоковольтный электропривод переменного тока по п.6, отличающийся тем, что к выводам каждого коммутатора дополнительно параллельно подключена электрическая цепь, имеющая два вывода, состоящая из двух подключенных последовательно групп, первая группа образована двумя подключенными встречно-параллельно тиристорами с большим значением ударного тока, а вторая группа образована параллельно подключенными резистором и индуктивным элементом.8. Высоковольтный электропривод переменного тока с трехфазным электродвигателем, включающий в себя источник регулируемого постоянного тока, трехфазный мостовой инвертор, подключенный к упомянутому источнику и состоящий из шести одинаковых полууправляемых вентилей (например, тиристоров); коммутирующие устройства, подключенные к выводам переменного тока упомянутого инвертора последовательно с фазами трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя, и устройства управления инвертором и коммутирующими устройствами, отличающийся тем, что первые выводы фаз упомянутого электродвигателя подключены к соответствующим выводам переменного тока упомянутого инвертора, каждое коммутирующее устройство представляет собой коммутатор, содержащий конденсатор с двумя выводами, и двунаправленный симметричный полностью управляемый полупроводниковый ключ, имеющий два вывода и обладающий управляемой проводящей способностью как в направлении от первого вывода ко второму, так и в направлении от второго вывода к первому и управляемой блокирующей способностью как в направлении от первого вывода ко второму, так и в направлении от второго вывода к первому, в каждом коммутаторе первый вывод упомянутого ключа подключен к первому выводу конденсатора и образует первый вывод коммутатора, а второй вывод ключа подключен ко второму выводу конденсатора и образует второй вывод коммутатора, коммутаторы соединены в «звезду» и подключены к соответствующим вторым выводам фаз упомянутого электродвигателя, то есть первый вывод каждого коммутатора подключен ко второму выводу соответствующей фазы упомянутого электродвигателя, вторые выводы каждого коммутатора подключены друг к другу и образуют нулевую точку трехфазной системы упомянутого электродвигателя.9. Высоковольтный электропривод переменного тока с трехфазным электродвигателем, включающий в себя источник регулируемого постоянного тока, трехфазный мостовой инвертор, подключенный к упомянутому источнику и состоящий из шести одинаковых полууправляемых вентилей (например, тиристоров), коммутирующие устройства, подключенные к выводам переменного тока упомянутого инвертора последовательно с фазами трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя, и устройства управления инвертором и коммутирующими устройствами, отличающийся тем, что первые выводы фаз упомянутого электродвигателя подключены к соответствующим выводам переменного тока упомянутого инвертора, каждое коммутирующее устройство представляет собой коммутатор, содержащий конденсатор с двумя выводами и двунаправленный симметричный полностью управляемый полупроводниковый ключ, имеющий два вывода и обладающий управляемой проводящей способностью как в направлении от первого вывода ко второму, так и в направлении от второго вывода к первому и управляемой блокирующей способностью как в направлении от первого вывода ко второму, так и в направлении от второго вывода к первому, в каждом коммутаторе первый вывод упомянутого ключа подключен к первому выводу конденсатора и образует первый вывод коммутатора, а второй вывод ключа подключен ко второму выводу конденсатора и образует второй вывод коммутатора, коммутаторы соединены в «треугольник» и подключены к соответствующим вторым выводам фаз упомянутого электродвигателя, то есть первый вывод первого коммутатора подключен ко второму выводу первой фазы упомянутого электродвигателя и второму выводу третьего коммутатора, первый вывод второго коммутатора подключен ко второму выводу второй фазы упомянутого электродвигателя и второму выводу первого коммутатора, первый вывод третьего коммутатора подключен ко второму выводу третьей фазы упомянутого электродвигателя и второму выводу второго коммутатор.