Преобразователь переменного тока в переменный Советский патент 1986 года по МПК H02M5/45 H02M7/515 

Изобретение относится к преобразователям переменного тока в переменный с промежуточным преобразованием в постоянный, преимущественно для одно- и многодвигательных электроприводов асинхронных и синхронных двигателей, а также других типов нагрузочных полных сопротивлений. Инверторы тока преимущественно используются в частотном управлении асинхронных двигателей.

В известных инверторах тока используется трехступенчатая коммутация инвертора тока, которая не зависит от изменений нагрузки. Благодаря трехступенчатой коммутации можно осуществить с одинаковым преобразователем одно- и многодвигательные электроприводы асинхронных двигателей. У инверторов с трехступенчатой коммутацией является важным отвод аккумуляционной мощности из накопительного конденсатора преобразователя. Инверторы тока

ным сопротивлением, причем к выводам постоянного тока вспомогательного тиристор- ного выпрямителя подключены две последовательные цепочки, состоящие каждая из двух коммутирующих тиристоров, точки

соединения которых соединены через источник коммутирующих импульсов, выполненный в виде коммутирующих дросселя и конденсатора, а первый вывод постоянного тока инвертора соединен через первый коммути10 рующий диод с объединенными анодами коммутирующих тиристоров обеих ветвей, а объединенные катоды тиристоров обеих ветвей подключены через второй коммутирующий диод к второму выводу постоянного тока инвертора, причем к выводам постоянного тока дополнительного выпрямителя подключен накопительный конденсатор, соединенный последовательно с импульсной преобразовательной ячейкой, первый выходной вывод которой соединен через первый

15

трехступенчатой коммутацией в большинстве д ограничивающий диод с первым выводом

25

случаев снабжены аккумуляционным элементом постоянного тока, представляющим собой диодный выпрямитель с фильтровым конденсатором (заявка Японии № 56-7386, кл. Н 02 М 7/515, 17.02.81). Аккумуляционную мощность, которая поступает в конденсатор из двигателя через выпрямитель, необходимо отводить для снятия перенапряжения в этом конденсаторе.

Желательно отводить эту мощность без потерь в питающую сеть, промежуточную цепь постоянного тока или в двигатель. Су- ществующие рещения инверторов с трехступенчатой коммутацией рещают эту проблему отводом мощности через сглаживающий дроссель, инвертор с внещней коммутацией и трансформатор в питающую сеть. Другим решением является разрядка конденсатора с помощью специального преобразователя в промежуточную постоянную цепь.

Решение с использованием трансформатора требует сложные и громоздкие дроссели

35

инвертора, второй вывод которого соединен через второй ограничивающий диод с катодом распределительного диода, соединенного анодо.м с первым выводом постоянного тока вспомогательного тиристорного выпрямителя, причем последовательно с разделительным диодом соединен вольтодобавочный конденсатор, подключенный к вспомогательному вольтодобавочному источнику и соединенный с вторым выводом постоянного тока вспомогательного тиристорного выпрямителя, а катод диода через последовательно соединенные дроссель и тиристор подключен к выводу источника коммутирующих импульсов, соединенному с коммутирующим конденсатором.

Б. данном преобразователе энергия из накопительного конденсатора отводится без потерь в двигатель через специальный преобразователь с собственной коммутацией. Цепи собственной коммутации этого преобразователя являются общими для этого спеи трансформатор, рещение с промежуточным до циального преобразователя и для инвертора

преобразованием постоянного тока не позволяет регулировать импульсные мощности при быстрых динамических изменениях оборотов и момента двигателя.

Преобразователь переменного тока в переменный содержит подключенный к выводам источника питания через тиристорный выпрямитель и сглаживающий дроссель инвертор, выводы переменного тока которого подключены к цепи нагрузки и к выводам переменного тока дополнительного выпрямителя, импульсную преобразовательную ячейку и источник коммутирующих иу.;уль- сов, при этом выводы переменного тока дополнительного выпрямителя соединены с выводами переменного тока вспомогательтока.

На чертеже представлена схема преобразователя переменного тока в переменный.

В преобразователе инвертор 2 тока питается источником тока, состоящим из управ- 45 ляемого тиристорного выпрямителя 1 и сглаживающего дросселя 11, выводы переменного тока инвертора 2 тока подключены к нагрузке 8. Параллельно нагрузке 8 присоединен дополнительный выпрямитель 3 и встречно включенный вспомогательный тиристорный выпрямитель 4. Постоянные выводы постоянного тока дополнительного выпрямителя 3 и вспомогательного тиристорного выпрямителя 4 соединены через элементы с комплексным сопротивлением Z1

50

ного встречно включенного тиристорного и Z2, которые образованы резистором, дросвыпрямителя, а выводы постоянного токаселем или комбинацией резистора и дросселя,

указанных мостов соединены между собойКоммутирующая цепь инвертора 2 тока обчерез первый и второй элементы с комплекс-разована коммутирующими тиристорами 21,

ным сопротивлением, причем к выводам постоянного тока вспомогательного тиристор- ного выпрямителя подключены две последовательные цепочки, состоящие каждая из двух коммутирующих тиристоров, точки

соединения которых соединены через источник коммутирующих импульсов, выполненный в виде коммутирующих дросселя и конденсатора, а первый вывод постоянного тока инвертора соединен через первый коммутирующий диод с объединенными анодами коммутирующих тиристоров обеих ветвей, а объединенные катоды тиристоров обеих ветвей подключены через второй коммутирующий диод к второму выводу постоянного тока инвертора, причем к выводам постоянного тока дополнительного выпрямителя подключен накопительный конденсатор, соединенный последовательно с импульсной преобразовательной ячейкой, первый выходной вывод которой соединен через первый

ограничивающий диод с первым выводом

ограничивающий диод с первым выводом

инвертора, второй вывод которого соединен через второй ограничивающий диод с катодом распределительного диода, соединенного анодо.м с первым выводом постоянного тока вспомогательного тиристорного выпрямителя, причем последовательно с разделительным диодом соединен вольтодобавочный конденсатор, подключенный к вспомогательному вольтодобавочному источнику и соединенный с вторым выводом постоянного тока вспомогательного тиристорного выпрямителя, а катод диода через последовательно соединенные дроссель и тиристор подключен к выводу источника коммутирующих импульсов, соединенному с коммутирующим конденсатором.

Б. данном преобразователе энергия из накопительного конденсатора отводится без потерь в двигатель через специальный преобразователь с собственной коммутацией. Цепи собственной коммутации этого преобразователя являются общими для этого спетока.

На чертеже представлена схема преобразователя переменного тока в переменный.

В преобразователе инвертор 2 тока питается источником тока, состоящим из управ- 5 ляемого тиристорного выпрямителя 1 и сглаживающего дросселя 11, выводы переменного тока инвертора 2 тока подключены к нагрузке 8. Параллельно нагрузке 8 присоединен дополнительный выпрямитель 3 и встречно включенный вспомогательный тиристорный выпрямитель 4. Постоянные выводы постоянного тока дополнительного выпрямителя 3 и вспомогательного тиристорного выпрямителя 4 соединены через элементы с комплексным сопротивлением Z1

0

22, 31 и 32, коммутирующими диодами 91 и 92 и .источником коммутирующих импульсов, который образован последовательным соединением коммутирующих дросселя L4 и конденсатора С4. К выводам постоянного тока 3.1 и 3.2 дополнительного выпрямите- ля 3 присоединен накопительный конденсатор С1, последовательно с которым соединена импульсная преобразовательная ячейка 5.

Последняя состоит из главного тиристо- ра 50, коммутирующих LC элементов L2 и СЗ, вспомогательного тиристора 51 и вспомогательных диодов 78 и 77. Далее в импульсной преобразовательной ячейке 5 последовательно с главным тиристором 50 соединен элемент с комплексным сопротивлением Z3 для надежного выключения тиристора 50. Для ограничения перенапряжения в тиристорах использованы ограничивающие диоды 93 и 94 и вольтодобавочный конденсатор С2 с разделительным диодом 95. Дозаряд коммутирующего конденсатора С4 обеспечивает тиристор 41 с дросселем L3 и вольтодобавочным конденсатором С2. Первоначальное напряжение на вольтодо- бавочном конденсаторе С2 обеспечивает вспомогательный вольтодобавочный источник 7, содержащий разделительный однофазный или трехфазный трансформат эр с диодным выпрямителем. Разряд накопительного конденсатора С1 обеспечен с помощью шести тиристоров вспомогательного тиристорного выпрямителя 4, работа которых описана ниже.

Предположим, что необходимо выключить главный тиристор 12 инвертора 2 тока и включить тиристор 14, т. е. осуществить коммутацию тока из фазы Т в фазу R. Ток в некоммутационной фазе S не изменяется. В момент коммутации плюс коммутирующего конденсатора С4 источника 6 коммутирующих импульсов тока находится на выводе 6.1. Включением первого и третьего коммутирующих тиристоров 21 и 31 поступает коммутирующий импульс тока к главному тиристору 12 инвертора тока. Он выключится, так как ток течет через третий коммутирующий тиристор 31, элемент с комплексным сопротивлением 72 дополнительного выпрямителя 3, главный тиристор 12, первый коммутирующий диод 91 и первый коммутирующий тиристор 21 к выводу 6.2 источика 6 комму- тируюо1.их импульсов. Включением коммутирующих тиристоров 21 и 31 выключаются также все тиристоры тиристорного выпрямителя 4, которые ведут ток. Цепь выключения тиристоров 61, 63 и 65 тиристорного выпрямителя ведет через третий коммутирующий тиристор 31 в катоды тиристоров 61, 63 и 65 через диод 71, 73 и 75 дополнительного выпрямителя 3, первый элемент с комплексным сопротивлением Z1 и через первый коммутируюо ий тиристор 2 к выводу 6.2 источника 6 коммутирующих импульсов.

5

0

Пепь выключения тиристоров 64, 66 и 62 вспомогательного тиристорного выпрямителя 4 проходит аналогично от источника 6 коммутирующих импульсов через третий коммутирующий тиристор 31, второй элемент с комплексным сопротивлением Z2, диоды 74, 76 и 72 к выключаемым тиристорам 64, 66 и 62 и через первый коммутирующий тиристор 21 - в источник 6 коммутирующих импульсов тока. Таким образом очевидно, что включением первого и третьего коммутирующих тиристоров 21 и 31 с положительной полярностью на выводе 6.1 выключаются не только главные тиристоры инвертора 2 тока, но и все тиристоры вспомогательного тиристорного выпрямителя 4,

5 которые проводили ток. После выключения тиристора 12 продолжает поступать ток в фазу Т в нагрузке 8 через первый коммутирующий диод 91, первый коммутирующий тиристор 21, источник 6 коммутирующих имQ пульсов, третий коммутирующий тиристор 31, второй элемент с комплексным сопротивлением Z2 и диод 72 дополнительного выпрямителя 3. Коммутирующий конденсатор С4 перезаряжается током нагрузки на обратную полярность. Независимо от тока нагрузки (т. е. на холостом ходу) коммутирующий конденсатор С4 перезаряжается током выброса через коммутирующий дроссель L4, третий коммутирующий тиристор 31, второй элемент с комплексным сопротивлением Z2, диоды 71-76 дополнительного выпрямителя 3, первый элемент с комплексным сопротивлением Z1 и первый коммутирующий тиристор 21. По истечении определенного времени, которое зависит от параметров LC частоты, ко.ммутирующий конденсатор С4 перезарядится на обратную полярность (полярность плюс на выводе 6.2). Ток нагрузки потечет через новый тиристор 14 инвертора 2 тока и в новую фазу.

Начинается третья ступень коммутации в инверторе 2 тока с трехступенчатой коммутацией, когда в старой фазе (фазе Т) ток выключается за счет разряда через диоды 71 и 72 накопительного конденсатора CI. В новую фазу R поступает ток из источника через вновь включенный тиристор 14. Первый и второй элементы с комплексным сопротивлением Z1 и Z2 по сравнению с импедансом источника 6 коммутирующих импульсов является малым, и они образуют падение напряжения в выключающихся тиристорах. Для выключения тиристора 12 падение напряжения в первом элементе с комплексным сопротивлением Z1 приводится к тиристору в обратном направлении и восстанавливает блокировочные свойства тиристора. При выключении одного из тиристоров 61, 63 и 65 вспомогательного тиристорного выпрямитеg ля 4 к ним подводится обратное напряжение за счет падения напряжения во втором элементе с комплексным сопротивлением Z1, аналогично при выключении одного из ти

0

ристоров 64, 66 и 62 действует падение напряжения в первом элементе с комплексным сопротивлением Z1.

В результате коммутации тока между фазами возникает определенная энергия, которая переходит из коммутационных фаз Т и R в накопительный конденсатор С1, напряжение которого увеличится на AU.

Для удержания равновесия необходимо до следующей коммутации разрядить конционную цепь, образованную элементами 91, 21, С4, L4 и Z2, и разветвляется через диоды 72 и 74 дополнительного выпрямителя 3 в фазу Т и R. Ток вновь вытекает из фазы (некоммутирующей) через главный 5 тиристор 13 инвертора тока. Одновременно возникает разряд коммутирующего конденсатора С4 через коммутирующий дроссель L4, а далее - через элементы 31 и 2, диоды дополнительного выпрямителя 3, Z1 и 21

денсатор на это напряжение AU. В инверторе ю обратно в коммутирующий конденсатор С4.

Время разряда задано параметрами элементов L4 и С4 и колеблется около 100- 200 МКС в соответствии с временем выключения тиристоров инвертора 2 тока и вспомогательного выпрямителя 4. После окончания разряда и изменения полярности коммутирующего конденсатора С4 включается новый главный тиристор 14, который ведет ток в новую фазу R.

тока разрядка конденсатора осуществляется с помощью тиристоров 61-66 вспомогательного выпрямителя 4. До выключения главного тиристора 12 заранее на определенный интервал времени At включается тиристор 64, при этом накопительный конденсатор С1, который является источником, вызывает рост тока в фазе R (новой фазе) и падение тока в фазе Т (старой фазе). Таким образом накопительный конденсатор разряжается непосредственно в фазу двигателя без потерь. Кроме того, эта функциональная разрядка, т. е. и при разрядке накопительного конденсатора С1, проходит коммутация тока между фазами Т и R. Последняя начнется в момент включения тиристоров 64

15

20

Время разряда задано параметрами элементов L4 и С4 и колеблется около 100- 200 МКС в соответствии с временем выключения тиристоров инвертора 2 тока и вспомогательного выпрямителя 4. После окончания разряда и изменения полярности коммутирующего конденсатора С4 включается новый главный тиристор 14, который ведет ток в новую фазу R.

При коммутации тока из фазы Т в R очевидно, что разряд накопительного конденсатора и его заряд являются симметричным процессом до и после коммутации главных тиристоров, который обеспечит равновесие напряжения в конденсаторе. Притом разряд и заряд накопительного конденсаи 65 и главного тиристора 50 импульсной 25 тора С1 происходит при коммутации тока преобразовательной ячейки 5, который последовательно соединен с накопительным конденсатором С1.

При этом до коммутации главного тиристора 12 (т. е. до включения первого и третьего коммутирующих тиристоров 21 и 31) 30 необходимо выключить главный тиристор 50 импульсной преобразовательной ячейки 5, который последовательно соединен с тиристорами 64 и 65.. Это происходит приблизительно за 100-200 МКС до включения первого и третьего коммутирующих тиристоров 21 35 и 31. Таким образом включают вспомогательный тиристор 51 импульсной преобразовательной ячейки 5. Возникает разряд конденсатора СЗ через вспомогательный и главный тиристоры 51 и 50 и дроссель L2 40 на обратную полярность, а, затем перезаряд конденсатора СЗ через первый вспомогательный диод 77, элемент с комплексным сопротивлением потерь Z3 и второй вспомогательный диод 78. Этот перезаряд выклюмежду выходными фазами.

В инверторе тока опасными бывают состояния перенапряжения. Для ограничения перенапряжения в коммутирующих тиристорах 21, 22, 31, 32, 41 и 51 служит защита от перенапряжения, например варисторы или RC-элементы. Для ограничения перенапряжения в главных тиристорах инвертора 2 тока служат ограничивающие диоды 93 и 94, которые работают совместно с диодами дополнительного выпрямителя 3 и с накопительным конденсатором С1 и вольтодо- бавочным конденсатором С2. Например, при выключении главного тиристора 12 инвертора тока перенапряжение в нем ограничится через диод 75 накопительного конденсатора С1 и первый ограничивающий диод 93 на уровне накопительного конденсатора С1.

К вольтодобавочному конденсатору С2 присоединен параллельно вспомогательный вольтодобавочный источник 7, таким обрачает главный тиристор 50. Импульсная пре- 45зом и при малых оборотах или холостом

образовательная ячейка 5 выключит тирис-ходу имеется напряжение на вольтодобавочтор 50 еще до коммутации в моменте t 0.ном конденсаторе С2. Через тиристор 41

и дроссель L3 это напряжение приводится

Импульсная преобразовательная ячейка коммутирующему конденсатору С4. Цепь

используется для того, чтобы при включениидд е замыкается через коммутирующий

50дроссель L4 и третий коммутирующий типервого и третьего коммутирующих тиристоров 21 и 31 коммутирующий импульс тока источника 6 не замкнулся через цепь, образованную выводом 6.1, элементами 31, Z2, Z3, 50, С1, Z1, 21 и выводом 6.2. Сразу же после выключения главного тиристора 50

ристор 31 на вольтодобавочном конденсаторе С2.

Тем самым достигнута надежная коммутация инвертора при малых оборотах двигавключаются первый и третий коммутирую- 55 теля и больщих пусковых токах. Раздели- щие тиристоры 21 и 31. После выключения тельный диод 95 разделяет уровни напряжения накопительного конденсатора С1 и воль- тодобавочного конденсатора С2 при низких

главного тиристора 12 инвертора тока ток из источника замыкается через коммутационную цепь, образованную элементами 91, 21, С4, L4 и Z2, и разветвляется через диоды 72 и 74 дополнительного выпрямителя 3 в фазу Т и R. Ток вновь вытекает из фазы (некоммутирующей) через главный тиристор 13 инвертора тока. Одновременно возникает разряд коммутирующего конденсатора С4 через коммутирующий дроссель L4, а далее - через элементы 31 и 2, диоды дополнительного выпрямителя 3, Z1 и 21

обратно в коммутирующий конденсатор С4.

Время разряда задано параметрами элементов L4 и С4 и колеблется около 100- 200 МКС в соответствии с временем выключения тиристоров инвертора 2 тока и вспомогательного выпрямителя 4. После окончания разряда и изменения полярности коммутирующего конденсатора С4 включается новый главный тиристор 14, который ведет ток в новую фазу R.

При коммутации тока из фазы Т в R очевидно, что разряд накопительного конденсатора и его заряд являются симметричным процессом до и после коммутации главных тиристоров, который обеспечит равновесие напряжения в конденсаторе. Притом разряд и заряд накопительного конденсатора С1 происходит при коммутации тока

тора С1 происходит при коммутации тока

между выходными фазами.

В инверторе тока опасными бывают состояния перенапряжения. Для ограничения перенапряжения в коммутирующих тиристорах 21, 22, 31, 32, 41 и 51 служит защита от перенапряжения, например варисторы или RC-элементы. Для ограничения перенапряжения в главных тиристорах инвертора 2 тока служат ограничивающие диоды 93 и 94, которые работают совместно с диодами дополнительного выпрямителя 3 и с накопительным конденсатором С1 и вольтодо- бавочным конденсатором С2. Например, при выключении главного тиристора 12 инвертора тока перенапряжение в нем ограничится через диод 75 накопительного конденсатора С1 и первый ограничивающий диод 93 на уровне накопительного конденсатора С1.

К вольтодобавочному конденсатору С2 присоединен параллельно вспомогательный вольтодобавочный источник 7, таким образом и при малых оборотах или холостом

ристор 31 на вольтодобавочном конденсаторе С2.

оборотах, когда напряжение в вольтодоба- вочном конденсаторе С2 больше, чем в накопительном конденсаторе С1. Выравнивание напряжений обоих конденсаторов имеет большую мощностную нагрузку вспомогательного вольтодобавочного источника 7.