Асинхронный вентильный каскад Советский патент 1984 года по МПК H02P7/62 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электропривода мощныхпромышлен ных установок, например насосных или компрессорных. Известен асинхронный вентильный каскад, содержащий в.цепи ротора асинхронного двигателя мостовой выпрямитель, выход которого Через дроссель связан смостовым управляе NbiM инвертором, вход которого зашун тирован диодом и тиристором с узлом искусственной коммутации tl . Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигае.мому результату является асинхронды вентильный каскад, содержащий в цеп ротора асинхронного двигателя мосто вой- выпрямитель, с выходом которого через дроссель связан управляемый инвертор, вход которого эашунтирова блокомискусственной,коммутации t2 1 Общими недостатками известных те нических решений являются низкое быстродействие блока искусственной коммутации и большое содержание вые ших гармонических составляющих в ин вертируемом напряжении. Цель изобретения - повышение энергетических показателей за счет улучшения гармонического состава инвертируемого напряжения. Указанная цель достигается тем,. что в асинхронном вентильном каскаде, содержащем в цепи ротора асинхронного двигателя мостовой выпрями тель , с выходом которого через дрос сель связан управляемый инвертор, вход которого зашунтирован блоком; искусственной коммутации, управляешй инвертор выполнен в виде управляемых однофазных инверторов,блок искусстве ной коммутации содержит три управляемы ключевых элемента и управляе1 ый коммутатор, управляющие входы которых соединены с блоком управления искусственной коммутацией, три вывода управляемого коммутатора соединены соответственно с одним из выводов каждого из трех управляемых ключевых элементов и образуют гри вывода бло ка искусственной коммутации, четвертый вывод которого образован соединенными накоротко четвертым выводом управляемого коммутатора и другими выводами каждого из трех ключевых элементов, дроссель выполнен в виде трех отдельных сердечников, на каждом из которых расположены по две встречиовключенные обмотки, одни выводы .которых соединены в звезду и ее нулевой вывод подключен к катодной группе вентилей мостового выпрямителя, другие выводы, обмоток дросселя подключены соотёетственно к анодным группам тиристоров однофазных управляемых инверторов и к трем выводам блока искусственной коммутации, четвертый вывод которого подключен к соединенным накоротко катодным группам вентилей однофазных инверторов, подключенным к анодной группе мостового выпрямителя. На фиг. 1 изображена функциональная схема асинхронного вентильного каскада; на фиг. 2 - выполнение управляемого коммутатора; на фиг.Звыполнение блока управления тиристорами инвертора; на фиг. 4 - выполнение блока управления искусственной коммутацией; на фиг. 5 - диаграмма формирования инвертируемого напряжения. Асинхронный вентильный каскад содержит асинхронный двигатель 1 . (фиг. 1), в цепь фазного ротора которого включен мостовой выпрямитель 2. Выпрямитель 2 связан с катодной группой вентилей, т.е. плюс шиной дросселем, имeюш IM обмотки 38, из которых 3, 5 и 7 соединены последовательно-встречно с соответствующими обмотками 8, 4 и б. При этом они попарно расположены на каждом из трех сердечников дросселя, показанных штриховыми линиями на фиг. 1. Начало и конец каждой вторичной обмотки согласующего .трансформатора 9 управляемого инвертора 10, выполненного на тиристорах 11-22, подключаются парами с общими анодами тиристоров инвертора 11 и 14, 15 и 18., 19 и 22 к соответствующим обмоткам б, 4 и 8 сглаживакнцего дросселя, а парами тристоров инвертора - с общими катодами 12 и 13, 16 и 17, 20 и 21 к анодной группе вентилей, т.е. к минус шине мостового выпрямителя 2. Управляемые ключевые элементы, т.е.. закорачивающие ключи 23-25 подключены .к минус шине выпрямителя 2 и обмоткам:, сглаживающих дросселей 8, 4, 6 соответственно, а трехфазный управляемый коммутатор 26 имеет связь с каждой из указанных обмоток 8,4,6 и также с минус шиной выпрямителя 2. Блок управления тиристорами инвертора 2 7 присоединен к управляющим электродам тиристоров инвертора 11-22, а блок управления искусственной коммутацией 28 выходами связан с соответствующими управляющими входами ключевых элементов 23-25 и коммутатора 26, которые образуют блок искусственной коммутации 29. Первичная обмотка трансформатора 9 подсоединена к источнику питания асинхронного двигателя 1. Трехфазный управляемый коммутатор 26 (.фиг. 2) содержит коммутирующий конденсатор 30 и катушку индуктивности 31. Один вывод конденсатора связан с катодами тиристоров 32-34, а второй вывод - с катодами тиристоров 35-37, Анод тиристора 38 соединен с одним выводом конденсатора 30 другой вывод которого соединен с анодом тиристора 39, катод которого соединен с катодом тиристора 38.

Аноды тиристоров 32 и 37 соединены с обмоткой 8 первой фазы сглаживающего дросселя и катодом диода 40 аноды тиристоров 33 и 36 - с обмоткой 4 второй фазы сглаживающего дроселя и катодом диода 41, аноды тиристоров 34 и 35 соеда1нены с обмоткой б третьей фазы сглаживающего дросселя и катодом диода 42, а катоды тиристоров 38 и 39 подсоединены к минус шине мостового выпрямителя 2 и катушке индуктивности 31, второй конец которой связан с объединенными анодами диодов 40-42.

Блок управления тиристорами инвертора 27 (фиг.З) состоит из блока синхронизации 43, на который подает ся трехфазное напряжение,причем это напряжение находится в фазе с трехфазный напряжением вторичной обмотк трансформатора 9 инвертора 10. Блок синхронизации подает синхронизирующее напряжение на блокинг-генераторы 44-49, которые вырабатывают управляющие импульсы.

Блок управления искусственной коммутацией 28 (фиг. 4) состоит из блока синхронизации 50, который соединен соответственно с генераторами импульсов 51-53, что обеспечивает кратность периода вырабатываемых генераторами импульсов периоду напряжения сети. Генераторы импульсов 51-53 связаны с формирователями импульсов 54-57, которые формируют управляющие сигналы для тиристоров управляемого коммутатора 26.

Два триггера 58 и 59 уровня напряжения на конденсаторе 30, соединены с соответствующими входами формирователей импульсов 54-57. Выходы генераторов импульсов 51-53 соединены с входами генераторов пилообразного напряжения 60-62, выходы которых соединены с одними входами нульорганов 63-65, другие входы которых соединены между собой и подключены к выходу блока синхронизации. Выходы нуль-органов 63-65 с.оединены соответственно с входами формирователей импульсов 66-68, выходы которых соединены с управляющими входами управляемых ключей элементов 23-25.

Асинхронный вентильнцй каскад функционирует следующим образом.

Ток ротора асинхронного двигателя 1 (фиг.1) выпрямляется мостовым выпрямителем 2. Выпрямленный ток равномерно распределяется между тремя фазами звена постоянного тока . (последовательно соединенные обмотки дросселя 3 и8,5и4,7и6 соответственно). В каждой фазе ток

проходит через обмотки дросселя 3-8 и сглаживается. В каждую фазу включены д ве о бмот ки, р асположе н ные на разных сердечниках и, с другой стороны, на каждом сердечнике намотаны обмотки двух фаз. Это создает взаимную магнитную связь между фазами звена постоянного тока и уменьшает колебания тока в каждой фазе звена постоянного тока, способствует равномерному распределению тока между фазами. Например, при увеличении тока в первой фазе звена постоянного тока, в которую входят поеледо вательно соединенные обмотки сглг сивающего дросселя 3 и 8, в них наводится ЭДС, направленная встречно по отношению к току. Одновременно ЭДС наводится в обмотке 4, расположенной на одном сердечнике с обмоткой 3, и обмотке 7, расположенной на одном сердечнике с обмоткой 8, причем направлена она таким образом, что способствует увеличению тока во второй и третьей фазе. Это уменьшает неравномерность распределения тока между отдельными фазами.

Поскольку токи отдельных фаз звен постоянного тока по величине близки, две встречно включенные обмотки на одном сердечнике, входящие в цепи питания разных однофазных инверторов, практически не создают постоянной составляющей магнитного потока в каждом сердечнике сглаживающего дросселя.

Каждая фаза вторичной обмотки согласующего трансформатора 9 инвертора выполняется независимой. Тиристорные мосты (тиристоры 11-14, 15-18, 19-22 образующие однофазные инверторы, в диагон.али которых включены фазы трансформатора, дают возможность пропускать ток через обмотки трансформа тора в обоих направлениях, причем каждая фаза трансформатора питается от своей фазы звена постоянного тока Такое исполнение звена постоянного тока и инвертора создает возможности для независимой работы каждой фазы трансформатора инвертора и модуляции инвертируемого тока.

Модуляция тока инвертора по синусоидальному закону осуществляется согласованной работой тиристорных мостов (тиристоры 11-22) , в одну диагональ каждого из которых включена своя вторичная обмотка согласующего трансформатора инверт ора/ закорачивающих ключей 23-25 и ко№1утатора 26, что обеспечивается.блоками управления 27.и 28.

Для одной фазы трехфазного инвертора 10 последовательность работы входящих в нее тиристоров 11-14, закорачивающего ключа 25 и коммутатора 26 следуквдая.

Блок управления тиристорами инвертора 27с появлением на вторичной обмотке рассматриваемой фазы трансформатора напряжения соответствующей полярности подает сигнгш управления на тристоры 11 и 12 тиристорной схемы. В это время постоянный ток, проходящий по обмоткам 7 и б сглаживающего дросселя, закыкается через закорачивающий ключ- 25 (о -t, фиг. 5) Блок управления закорачиваквдими ключами и трехфазным коммутатором 28 периодически подает сигнал на трехфазный коммутатор 26, который отключает закорачивающий ключ 25 (время , tj, фиг.5), ток коммутируется .в фазу трансформатора 9 через тиристоры 11 и 12, сигнал управления на которые продолжает подаваться блоком управления тиристорами инвертора 27. При нарастании пилообразного напряжения до величины синусоидального, сравнение напряжения происходит в блоке управления закорачивающими ключами и трехфазным коммутатором 28 (время Фиг.51, последний подает сигнал на закорачивающий ключ 25, ток из фазы трансформатора инвертора вытесняется напряжением обмотки трансформатора в закорачивающий ключ (время t,-t4f фиг, 5 ). Далее процессы повторяются в указанном порядке до тех пор, пока напряжение в рассматриваемой фазе трансформатора инвертора не поменяет знак. После этого блок управления тиристорами инвертора 27 снимает управляющий сигнал с тиристоров 11 и 12 и подает сигнал управления на тиристоры 13 и 14 тиристорной схемы того же однофазного инвертора. В следующий полупериод работа всех элементов схемы подобна работе в течение предыдущего полупериода, но ток через обмотку трансформатора инвертора пропускается тиристорами 13 и 14 в противоположном направлении (фиг.5).

Работа остальных фаз происходит аналогичным образом.

Трехфазный коммутатор 26 работает следующим образом.

При необходимости отключить закорачивающий ключ 25 блок управления закорачивающими ключами и коммутатором 28 подает управлягацие сигналы на тиристоры 35 и 38. Коммутирующий конденсатор начинает перезаряжаться по цепи: тиристор 38, катушка индуктивности 31, диод 32, тиристор 35. Ток из закорачивающего ключа 25 переходит в цепь; тиристор 35, коммутирующий конденсатор 30, тиристор 38. Когда коммутирующий конденсатор 30 перезаряжается до напряжения,равного фазному напряжению соответствующей вторичной Обмотки согласующего трансформатора 9 ,ток переходит в эту фазу инвертора 10,а коммутатор готов к новому рабочему циклу. Поскольку полярность напряжения на коммутирующем конденсаторе 30 .поменялась, то в следующий цикл вступает в рабрту тиристор 39 и один из тиристоров 32-34 в зависимости от того, какой из закорачивающих ;ключей 23,24 или 25 соответственно должен быть отключен.

Изменения противо-ЭДС трехфазного инвертора 10, регулирование которой осуществляют с.целью получения требуемой частоты вращения асинхронного двигателя с фазным ротором 1, добиваются посредством изменения амплитуды пилообразного напряжения в блоке управления закорачивающими ключами и трехфазным коммутатором 2 (интервалы времени О- v -1ч--Ьг.гФиг. 5).

В блоке 27 управление блокинггенераторами 44-49 осуществляется таким образом, что они включают нужные тиристоры каждого однофазного инвертора в зависимости от полярности напряжения во вторичных обмотках трансформатора инвертора, т.е. в каждой паре блокинг-генераторов 44 и 45, 46 и 47, 48 и 49 полпериода работает один, а полпериода - второй блокинг-генератор.

В блоке управления искусственной коммутацией 28 формирователь импульсов 54 запускается генератором им(пульсов 51, причем частота следования импульсов от этого генератора пропорциональна частоте сети, и включает один из тиристоров 32 или 37 в зависимости от полярности напряжейия на коммутирукщем конденсаторе 30, которое контролируют два триггера уровня 58 и 59. Формирователь импульсов 57 включает тиристоры 38 или 39 при поступлении на него сигнала от любого из генераторов импульсов 5153 с учетом полярности напряжения на коммутирующем конденсаторе 30. Все это приводит к срабатыванию коммутатора 26(-t,t3, фиг.5).

Каждый из генераторов импульсов 51-53 осуществляет сброс своего генератора пилообразного напряжения 60-62 соответственно (время t,i3, фиг.5). Напряжение от генераторов пилообразного напряжения 60-62 и напряжения от блоки-синхронизации 50 сравниваются нуль-органами 63-65. При их равенстве соответствующий нуль-орган срабатывает и запускает один из формирователей импульсов 66-68, которые включают закорачивающие ключи 23-2S (время ±2 , t4, фиг.5 ).

Таким образом в управляемом инверторе создаются условия для модуляции инвертируемого тока по синусоидальному закону, снижения удельного веса высших гармоник и вызываемых ими потерь и, следовательно, . улучшения энергетических показателей

,j ,,x;Wi

АСИНХРОННЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ КАСКАД, содержащий в цепи ротора асинхронного двигателя мостовой выпрямитель, с выходом которого через дроссель связан управляемый инвертор, вход которого зашунтирован блоком искусственной коммутации, отличающийся тем, что, с целью повышения энергетических показателей за счет улучшения гармонического состава инвертируемого напряжения, управляемый инвертор .выполнен в виде трех управляемых однофазных инверторов, блок искусственной коммутации содержит три управляемых ключевых элемента и управляемый коммутатор, управляющие входы которых соединены с блоком управления искусственной коммутацией, три вывода управляемого коммутатора соединены соответственно с одним из выводов каждого из трех управляемых ключевых элементов и образуют три вывода блока искусственной коммутации, четвертый вывод которого образован соединенными наг коротко, четвертым выводом управляемого коммутатора и другими выводами каждого из трех управляемых ключевых элементов, дроссель выполнен в виде трех отдельных сердечников, на каждом из которых расположены по две встречновключенные обмотки, одни выводы которых соединены в (Л звезду и ее нулевой вывод подключен к катодной группе вентилей мостового е выпрямителя, другие выводы обмоток и дросселя подключены соответственно к анодным группам тиристоров однофазных управляемых инверторов и к трем выводам блока искусственной коммутации, четвертый вывод которого хр подключен к соединенным накоротко катодным группам вентилей однофазю :х ных инверторов, подключенным к анодной группе мостового выпрямителя. эо

fyi

w

Ж ж Ж Ф- W ж

31

26

J7 V

Q

чн

7i3

JZфиг.2

12

f

A

//

физ.З

фигЛ