Электропривод переменного тока Советский патент 1992 года по МПК H02P5/34 

1

(21)4819258/07

(22) 24.04.90

(46)07.10.92. Бюл. №37

(75) В.А.Фокин и О.В.Фокин

(56) Авторское свидетельство СССР

№ 917300, кл. Н 02 Р 13/18, 1982.

Авторское свидетельство СССР № 1642578, кл. Н 02 Р 13/18, 1989.

(54) ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

(57) Использование: в электроприводах общего назначения. Сущность: циклически повторяемое увеличение индуктивности цепи статорной обмотки двигателя ограничивает уровень высоких гармоник наименьших номеров в кривых тока статорной и роторной обмоток двигателя. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, асинхронному частотно-управляемому электроприводу на основе использования инвертора.

Известен электропривод переменного тока, содержащий трехфазный асинхронный короткозамкнутый электродвигатель, первые выводы статорной обмотки которого соединены с выходами трехфазного инвертора.

Одна из проблем разработки таких электроприводов состоит в расширении диапазона регулирования частоты вращения двигателя в нижней части этого диапазона при питании двигателя прямоугольно-ступенчатым напряжением изменяемой частоты.

Ввиду несинусоидальности выходного напряжения инвертора в управляемом асинхронном двигателе возникают колебательные электромагнитные моменты , способные привести к колебаниям частоты вращения в нижней части диапазона регулирования этой частоты вращения.

Существенное улучшение массогаба- ритных показателей полупроводниковой части электропривода достигается переходом на неуправляемый мостовой выпрямитель в

звене постоянного тока и обусловленным этим применением широтного (ШИР) способа регулирования напряжения изменяемой частоты, чему соответствует циклически повторяемое закорачивание трех фаз статорной обмотки асинхронного двигателя. В частности, закорачивание статорной обмотки способствует появлению режима магнитного торможения. связанного с возможностью увеличения колебаний частоты вращения управляемого двигателя, В этих условиях уменьшение колебательных электромагнитных Моментов может быть достигнуто приближением к синусоидальной форме кривых тока статора и ротора при очень далекой от синусоидальной формы кривой напряжения статорной обмотки.

Существенное приближение к синусоиде кривой тока статорной обмотки по сравнению с напряжением возможно только использованием для этой цели той или иной разновидности низкочастотного фильтра. В простейшем варианте роль такого фильтра может выполнять собственная индуктивность рассеяния статорной обмотки. Однако эффективность такого электромагнитного фильтра оказывается весьма низкой при использовании простейших

(Л

С

Ј

2 Я

алгоритмов переключения полностью управляемых полупроводниковых ключей инвертора, особенно в нижней части диапазона регулирования частоты вращения управляемого асинхронного двигателя; в этом случае абсолютная частота ближайшей высшей гармоники - пятой - оказывается весьма малой, хотя и превосходит в пять раз частоту основной составляющей.

Повышение эффективности использования собственной Индуктй%носттл рассеяния статорной обмотки в качестве простейшего низкочастотного фильтра может быть достигнуто переходом от однократного (ОШИР) способа широтного регулирования напряжения к многократному (МШИР). Это приводит к заметному увеличению потерь на коммутацию, а также к необходимости использования силовых транзисторов в качестве элементов полностью управляемых ключей инвертора, что существенно ограничивает диапазон мощностей таких инверторов.

Вынужденный переход на тиристоры в качестве элементов полностью управляемых полупроводниковых ключей инвертора при дальнейшем увеличении мощности такого асинхронного управляемого электропривода приводит: а) к существенному ограничению возможностей реализации способа многократного широтного регулирования напряжения из-за инерционности тиристора, имеющего достаточно большое время восстановления запирающих свойств тиристора; б) к существенному увеличению коммутационных потерь даже при относительно небольшой кратности широтного регулирования, что также связано с существенным возрастанием инерционности Тиристора по сравнению с силовым транзистором как элементом управляемого ключа; в) к заметному относительному ухудшению формы кривых тока статора и ротора, а также результирующего магнитного потока.

В связи с изложенным представляется желательным разработать такое устройство для частотного управления асинхронным двигателем, в котором были бы исключены либо существенно ограничены отмеченные недостатки. В частности, такое устройство должно существенно приблизить к синусоидальной форме кривую тока статорной обмотки при существенном уменьшении частоты переключения полностью управляемых силовых ключей его инвертора, что позволит: а): перейти к использованию тиристоров в качестве элементов этих ключей; б) снять жесткие ограничения на верхний предел мощности таких устройств; в) уменьшить коммутационные потери, т.е. улучшить энергетические показатели при соответствующем уменьшении колебаний как электромагнитного момента, так и частоты

5 вращения.

Принципиальную возможность устранить или существенно уменьшить колебания электромагнитного момента и соответствующей частоты вращения в уп0 равляемом двигателе вследствие циклического закорачивания статорной обмотки открывает известный способ частотного управления. Этот способ основан на использовании известного в теоретической

5 электротехнике так называемого некорректного начального условия, имеющего место в переходном процессе активно-индуктивной цепи при скачкообразном увеличении индуктивности. Неприятным фактором, на0 блюдаемым в этом случае, является хотя и очень кратковременное, но весьма значительное перенапряжение на размыкаемом ключе. Поэтому непосредственная реализация известного способа управления вызо5 вет недопустимые перенапряжения на полупроводниковом коммутаторе соответствующего устройства что приведет к неработоспособности как коммутатора, так и всего устройства; не достигнутой оказыва0 ется при этом и цель такого способа - улучшить энергетические показатели частотноуправляемого асинхронного электропривода особенно в нижней части диапазона регулирования. Поэтому возникает

5 необходимость разработки такого устройства, основанного на использовании этого способа управления, которое не ьызывало бы недопустимых перенапряжений на его элементах в момент скачкообразно о увели0 чения индуктивности цепи статорной обмотки, Именно такая задача решается в предлагаемом устройстве.

Целью предлагаемого изобретения является улучшение энергетических характе5 ристик при расширении диапазона регулирования частоты вращения.

Циклически повторяемое увеличение индуктивности цепи стато рной обмотки двигателя позволит существенно ограни0 чить уровень высших гармоник наименьших номеров(пятая, седьмая и т д.) в кривыхтока статорной и роторной обмотках двигателя даже в нижней части диапазона регулирования частоты вращения двигателя без пере5 хода на многократное ШИР, что обусловит а) относительное уменьшение коммутационных потерь в инверторе, б) возможность использования в качестве элементоз полностью управляемых ключей инвертора вме- сто силовых транзисторов соответствующей

разновидности тиристоров; в) связанное с этим существенное увеличение мощности асинхронного частотного управляемого электропривода.

Поставленная цель достигается в предлагаемом электроприводе feM, что в него введены трехфазный коммутатор, три конденсатора и трехфазный индуктивный элемент, снабженный промежуточными выводами обмоток, соединенных в звезду, при этом крайние выводы обмоток соединены со вторыми выводами статорной обмотки электродвигателя и входами трехфазного коммутатора, выходы которого объединены между собой, а промежуточные выводы трехфазного индуктивного элемента подключены к первым выводам соответствующих фаз статорной обмотки электродвигателя через конденсаторы.

Принципиальная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1; на фиг. 2 изображены как эпюры переключения полностью управляемых ключей инвертора, так и временные диаграммы напряжений на отдельных фазах статорной обмотки управляемого асинхронного двигателя.

В соответствии с принципиальной схемой фиг. 1 предлагаемое устройство содержит источник энергии постоянного тока 1, от которого получает питание инвертор 2, между входными 3, 4 и выходными 5, 6, 7 выводами которого включены полностью управляемые полупроводниковые ключи 8- 13. К выходным выводам 5, 6, 7 инвертора присоединены одни одноименные зажимы статорной обмотки 14 асинхронного двигателя 15, между тем как другие ее одноименные зажимы 16, 17, 18 образуют разомкнутую нулевую точку соединения звездой этой обмотки. К этим одноименным зажимам 16, 17, 18 присоединен трехфазный индуктивный элемент (дроссель) 19, крайние выводы которого зашунтированы трехфазным полностью управляемым полупроводниковым ключом 20. В устройстве используются также конденсаторы 21, 22, 23, каждый из которых соединен между своим выводом 5, 6, 7 статорной обмотки 14 управляемого двигателя и тем промежуточным выводом 24, 25, 26 фазы обмотки дросселя 19, с которой соединена данная фаза статорной обмотки. Указанные элементы силовой части предлагаемого устройства дополнены системой управления из задат- чика регулируемой частоты 27, дешифратора 28, формирователя-усилителя импульсов 29, фазосдвигающего устройства 30, а также датчика регулируемой частоты вращения 31.

При описании работы предлагаемого устройства не будем вначале принимать во внимание особенности электромагнитных процессов, связанные с циклическим скачкообразным увеличением индуктивности цепи статорной обмотки в момент запирания полностью управляемого полупроводникового трехфазного ключа 20. Будем учитывать, что последовательность работы

0 элементов устройства и характер происходящих электромагнитных процессов определяется алгоритмом работы его полностью управляемых полупроводниковых ключей. Несмотря на большое многообразие

5 возможных вариантов выбора алгоритма работы инвертора предложение настоящей заявки окажется полезным и целесообразным во всех тех случаях работы инвертора, когда предусматриваются интервалы от0 ключения от источника управляемой нагрузки, которая при этом закорачивается Именно поэтому работу предлагаемого устройства рассмотрим на примере простейшего алгоритма работы инвертора,

5 основанного на использовании однократного широтного регулирования (OLLII/IPJ выходного напряжения изменяемой частоты. Поэтому описание работы предлагаемого устройства рассмотрим применительно к

0 однократному широтному регулированию (ОШИР) выходного напряжения трехфазного мостового инвертора, вследствие чего известный алгоритм переключения ключей такого инвертора будет выражаться в виде

5 шести интервалов с различным сочетанием включенного состояния однофазных его ключей, перемежаемых шестью интервалами отключенного от источника состояния нагрузки - статорной обмотки асинхронно0 го электродвигателя. В предлагаемом устройстве известный алгоритм переключения только однофазных ключей дополняется определенной последовательностью переключения также трехфазного ключа 20 В

5 наиболее компактной форме такой горядок поочередного переключения полностью управляемых полупроводниковых ключей устройства оказывается возможным представить в виде таблицы.

0 В соответствии с этой таблицей первый интервал работы предлагаемого устройства характеризуется включенным состоянием как однофазных ключей 8, 9, 13, так и трехфазного 20. Это приводит к подключению

5 фазы А статорной обмотки 14 двигателя к положительному выводу 3 источника, а фаз В и С этой обмотки - к отрицательному выводу 4 источника 1; при этом другие одноименные выводы обмотки 14 оказываются объединенными трехфазным ключом 20 Во

второй интервал времени оказываются объединенными первые одноименные выводы 5, 6, 7 статорной обмотки 14 замыканием ключей 8, 10, 12, между тем как трехфазный ключ 20 оказывается в разомкнутом состоя- нии. В эту паузу статорная обмотка 14 отключена от источника энергии 1, но соединена пофазно-после дбвательно с трехфазным индуктивным элементом 19, что обусловливает увеличение индуктивно- сти цепи статорной обмотки в этот интервал времени.

Из таблицы следует также, что третий интервал работы устройства характеризуется включенным состоянием как однофазных ключей 8,12,13, так и трехфазного ключа 20. Из той же таблицы вытекает, что четвертому, как и другим четным интервалам времени соответствует: а) включенное состояние однофазных ключей 8, 10, 12 и отключенное -трехфазного ключа 20; б) отключенное состояние управляемого двигателя от источ- ни/а эренгии постоянного тока; в) увеличение суммарной индуктивности цепи статорной обмотки; г) обсуловленному этим повышению эффективности подавления высших гармоник тока в обмотке статора управляемого двигателя, приближению к синусоидальной форме как магнитного потока, так и тока ротора управляемого двига- теля; д) связанное с этим существенное уменьшение как колебательных электромагнитных моментов, так и колебаний частоты вращения управляемого асинхронного двигателя в нижней части диапазона измене- ния частоты вращения,

Переходу от одного нечетного интервала работы устройства к другому соответствует поворот вектора магнитного потока управляемого двигателя на шестьдесят электрических градусов, что общеизвестно. Поэтому нет необходимости подробно останавливаться на электромагнитных процессах в управляемом двигателе и в инверторе, связанных с поочередным подключением сочетаний последовательно-параллельного соединения трех лучей звезды статорной обмотки к источнику энергии.

После завершения двенадцати интервалов поочередного переключения указанных в таблице сочетаний однофазных и трехфазного ключей устройства процессы повторяются. Работа предлагаемого устройства немыслима без системы управления, содержащей задатчик регулируемой частоты 27 с пилообразным напряжением на выходе, сигналы которого подаются, например, дешифратору 28, выполняющему операцию деления и образующему таким образом циклы коммутации. Сигналы с отдельных выходов дешифратора подаются на соответствующие ячейки блока формирования и усиления импульсов 29, куда поступают также сигналы отфазосдвигающего устройства 30, определяя соответствующие интервалы отключенного от сети закороченного состояния статорной обмотки.

Продолжительность этих интервалов может корректироваться также сигналами от датчика 31 фактической частоты вращения двигателя, наличие которого свидетельствует также о замкнутом характере этой системы управления. Приведенное описание работы устройства, реализующего изве- стный способ управления частотой вращения, наглядно иллюстрируется диаграммами фиг. 2, В частности, на фиг. 2а приведена временная диаграмма коммутации однофазных ключей 8, 11, подключающих зажим 7 фазы А статорной обмотки к положительному 3 или отрицательному 4 выводам источника энергии в соответствующие интервалы времени; на фиг. 26 приведена соответствующая диаграмма переключений ключей 9, 12 для фазы В статорной обмотки, а на фиг. 2в - ключей 10, 13 для фазы С. Из этих диаграмм переключения следует, что интервалы включенного состояния различного сочетания указанных там однофазных ключей чередуются с интервалами нулевого значения приложенного к двигателю напряжения источника, т.е. с интервалами отключенного состояния двигателя от источника энергии, когда одноименные выводы 5, 6, 7 статорной обмотки закорачиваются однофазными ключами 8, 10, 12, а трехфазный ключ 20 размыкается. Эпюрам переключения полностью управляемых ключей, приведенным на фиг. 2а, 26, 2в, соответствуют временные диаграммы напряжений фиг. 2г - для фазы А, фиг. 2д - для фазы В, фиг, 2е - для фазы С. Из этих временных диаграмм напряжений следует: а) идентичность их формы; б) взаимный сдвиг на третью часть их периода повторения; в) использование широтного метода независимого регулирования напряжения статорной обмотки, характеризуемого чередованием ступеней этого напряжения различной величины и знака с интервалами нулевой величины напряжения регулируемой продолжительности, т.е. ОШИР.

Целесообразно обратить внимание на отличие электромагнитных процессов, обусловленное введением в схему дополнительных элементов - трехфазного индуктивного элемента 19, трехфазного ключа 20 и конденсаторов 21, 22, 23. При описании работы предлагаемого устройства отмечалось скачкообразное увеличение суммарной индуктивности цепи статорной обмотки в четные интервалы коммутационного цикла, приведенного в таблице. Вместе с тем скачкообразное увеличение индуктивности сопровождается не только скачкообразным уменьшением тока после коммутации, но и скачкообразным уменьшением энергии магнитного поля, запасаемой в такой индуктивности.

Если не принимаются специальные меры, то следствием этого будет появление дуги на размыкаемых контактах ключа, шунтировавшего ранее дополнительно вводимую индуктивность. Потери в этой дуге покрывают указанную выше разность запаса энергии магнитного поля до коммутации и после нее.

Несколько иными оказываются электромагнитные процессы в элементах предлага- емого устройства благодаря наличию конденсаторов 21, 22, 23. Каждый из этих конденсаторов включен между своим выходным выводом инвертора 5, 6, 7 и промежуточным выводом 26, 25, 24 со- ответствующей фазы трехфазного индуктивного элемента 19. Наличие этих конденсаторов позволяет: а) избежать перенапряжения и дугу на размыкаемом ключе 20; б) запасти в этих конденсаторах энергию электрического поля, равную разности энергии магнитного поля в индуктивных элементах до и после коммутации; в) передать эту энергию в статорную обмотку двигателя после замыкания трехфазного ключа 20 при очередном подключении входных выводов статорной обмотки к источнику энергии 1 с помощью сочетания однофазных ключей 8-13. Предложенная здесь кардинальная мера борьбы с перенапряжениями на размыкаемом ключе может быть дополнена обычно применяемыми защитными активно-емкостными цепочками на размыкаемом трехфазном полупроводниковом

ключе 20. Таким образом предлагаемое устройство реализует соответствующий способ управления, обеспечивая передачу асинхронному двигателю разности энергии в скачкообразно изменяемой индуктивности при размыкании трехфазного полупроводникового ключа 20. Наиболее успешно поставленная задача может быть решена путем рационального выбора емкости дополнительно введенных конденсаторов 21, 22, 23, включенных согласно принципиальной схеме фиг. 1. Силовая часть принципиальной схемы предлагаемого устройства пригодна для ограничения колебаний электромагнитного момента и частоты вращения управляемого асинхронного двигателя во всех тех случаях работы инвертора, когда по соответствующему алгоритму переключения его ключей в выходном напряжении предусматриваются интервалы нулевого значения

Формула изобретения Электропривод переменного тока содержащий трехфазный асинхронный корот- козамкнутый электродвигатель, первые выводы статорных обмоток которого соединены с выходами трехфазного инвертора имеющего выводы для подключения к входу источника питания постоянного тока, отличающийся тем, что, с целью улучшения энергетических характеристик, в него введены трехфазный коммутатор, три конденсатора и трехфазный индуктивный элемент снабженный промежуточными выводами обмоток, соединенных в звезду, при этом крайние выводы обмоток соединены с вторыми выводами статорных обмоток электродвигателя и входами трехфазного коммутатора, выходы которого объединены между собой, а промежуточные выводы обмоток трехфазного индуктивного элемента подключены к первым вы водам соответствующих статорных обмоток электродвигателя через конденсаторы

г

CM

(Л CM

0

M

rHAH

о rO

l.

r

о

LO

10 in