Электропривод Советский патент 1993 года по МПК H02P7/36 

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

Целью изобретения является улучшение энергетических показателей при расширении диапазона регулирования частоты вращения.

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

Электропривод содержит основной источник энергии 1 постоянного тока, дополнительный источник энергии постоянного тока 2 в виде диодного мостового выпрямителя, к выходным выводам 3, 4 последовательного соединения которых присоединен инвертор 5 в виде полностью управляемых полупроводниковых ключей 6-11, управляемый асинхронный двигатель -12. статорная обмотка которого 13 одной группой своих одноименных выводов 14, 15, 16 присоединена к выходу инвертора 5, между тем как другая группа одноименных выводов 17,18, 19 статорной обмотки 13 присоединена к первичной обмотке 20, трансформатора 21, вторичная обмотка 22 которого присоединена к входу переменного тока диодного моста 2, нагруженного на стороне постоянного тока конденсатором 23; присоединенная к одноименным выводам 17,18,1.9 статорной обмотки 13 первичная обмотка 20 трансформатора 21 з ашунтирована также трехфазным полностью управляемым полупроводниковым ключом 24. Описанные элементы силовой части предлагаемого устройства дополнены также соответствующей системой управления, о состав которой входит генератор регулируемой частоты 25, циклический распределитель импульсов 26, усилитель - формирователь импульсов 27, фа зосдвигающее устройство 28, а также датчик фактической частоты вращения 29.

На фиг. 2а приведена временная диаграмма коммутации однофазных ключей 8, 11, подключающих зажим 16 фазы А статорной обмотки к положительному 3 или отрицательному А выводам источника энергии; на фиг. 26 приведена соответствующая диаграмма переключения ключей 7.10 для фазы В статорной обмотки, а на фиг. 2в - ключей б, 9 для фазы С этой обмотки. Этим эпюрам переключения полностью управляемых однофазных ключей соответствуют временные диаграммы напряжений фиг, 2г

- для фазы А. фиг. 2д - для фазы В, фиг. 2ё

- для фазы С статорной обмотки 13.

Основная идея данного электропривода может быть реализована при таких различных алгоритмах работы инвертора/в которых предусматриваются интервалы отключенного от источника состояния статорной обмотки, соответствующие одноименные выводы которой при этом

0 закорачиваются. Для большей ясности работа электропривода описывается на примере простейшего алгоритма работы инвертора, рассчитанного на использование широтного метода однократного регу5 лирования выходного напряжения изменяемой частоты.

Последовательность работы элементов данного электропривода и характер происходящих электромагнитных процессов оп0 ределяется алгоритмом работы его полностью управляемых полупроводниковых ключей, задаваемым системой управления электропривода, содержащей генератор регулируемой частоты 25 с пило5 образным напряжением на выходе, сигналы которого подаются на вход циклического распределителя импульсов 26, выполняющему операцию деления числа импульсов. Сигналы с отдельных выходов циклического

0 распределителя импульсов подаются на соответствующие ячейки блока формирования и усиления импульсов 27, куда поступают также сигналы от фазосдвигающего устройства 28, определяя соответствующие интер5 валы отключенного от источника состояния статорной обмотки. Продолжительность этих интервалов может корректироваться также сигналами отдатчика фактической частоты вращения 29, наличие которого свиде0 тельствует о замкнутом характере этой системы управления.

Об используемом при описании электропривода простейшем алгоритме переключения его полностью управляемых

5 полупроводниковых ключей можно судить как по приведенным на фиг. 2 эпюрам переключения этих .ключей и соответствующим временным диаграммам напряжений на отдельных фазах статорной обмотки, так и по

0 таблице, где представлена та же информация для каждого из входящих в цикл переключений двенадцати интервалов.

Поэтому описание работы данного электропривода увязывается с данными табли5 цы в соответствующий интервал времени и с приведенными на фиг. 2 эпюрами и временными диаграммами. Первый интервал работы характеризуется включенным состоянием однофазных ключей 7,8.9 и трехфазного ключа 24, что соответствует

присоединению вывода 16 фазы А статор- ной обмотки 13 двигателя к положительному выводу 3 комбинированного источника энергии, а выводов 14.15 фаз С и В статор- ной обмотки - к отрицательному выводу 4 дополнительного источника 2, а нулевая точка соединения звездой статорной обмотки 13 образуется при этом объединением ЁЫВОДОВ 17,18, 19 этой обмотки с помощью трехфазного ключа 24. При этом знак напряжения, приложенного к той или иной фазе статорной обмотки, определяется полярностью соответствующего вывода источника энергии, к которому присоединены выводы 14, 15 или 16 этой обмотки. Из таблицы, а также фиг. 2 следует, что в первый интервал времени положительное напряжение на фазе А статорной обмотки в два раза превышает напряжения противоположного знака на фазах В и С этой обмотки. Во второй интервал времени согласно таблице включены только однофазные ключи б, 8, 10, а трехфазный 24 - отключён; в эту межкоммутационную паузу статорная обмотка отключена от источника энергии, а запасенная в индуктивности рассеяния статорной обмотки энергия магнитного поля будет передаваться через посредство присоединенной к ней первичной обмотки 20 трансформатора 21 в конденсатор 23 на выходе диодного моста 2 с помощью вторичной обмотки 22 этого трансформатора 21. В продолжение третьего интервала времени включены однофазные ключи 8, 9, 10 и трехфазный 24. В этот интервал времени имеет место присоединение выводов 15, 16 фаз В и А статорной обмотки к положительному выводу 3 источ- нмка, а вывод 14 фазы С обмотки - к отрицательному выводу 4 комбинированного источника 1,2, причем другие выводы 17Ь18, 19 статорной обмотки объединены трехфазным ключом 24, чему соответствует закороченное состояние первичной обмотки 20 трансформатора 21; из фиг. 2 следует, что при этом напряжение на фазе С статорной обмотки превышает в два раза напряжения на фазах А, В этой обмотки. В четвертый интервал времени в соответствии с таблицей повторяется ситуация второго интервала времени и потому будут аналогичными электромагнитные процессы.

Согласнотаблице в пятый интервал времени включены однофазные ключи 9, 10, 11 и трехфазный 24, что соответствует закорачиванию первичной обмотки 20. трансформатора 21 объединением одноименных выводов 17, 18, 19 статорной обмотки в общую нулевую точку соединения звездой, фазы А, С которой своими выводами 14. 16 присоединены к отрицательному выводу 4

комбинированного источника 1, 2, а фаза В - к положительному выводу 3 источника, вследствие чего к фазам А; С статорной обмотки приложено в два раза меньшее на- 5 пряжение по сравнению с фазой В (см. фиг. 2а также таблицу). В шестой интервал включены те же ключи, что и во второй, четвертый и другие четные интервалы времени, и потому будут аналогичными вызываемые этим

10 электромагнитные процессы в элементах электропривода.

Согласно таблице седьмой интервал времени характеризуется включенным состоянием как однофазных 10, 11, б, так и

15 трехфазного 24 ключей, чему соответствует присоединение фазы А обмотки статора к отрицательному полюсу 4 источника, а фаз В, С - к его положительному источнику. В этот интервал времени ситуация напомина0 ет ту, что имела место в первый интервал, отличаясь на сто восемьдесят градусов углов начальной фазы напряжений на фазах статорной обмотки. Аналогичный вывод можно сделать на основании таблицы и фиг.

5 2 также для третьего и девятого или для пятого и одиннадцатого интервалов времв- ни выбранного алгоритма переключения однофазных и трехфазного полностью управляемых полупроводниковых ключей

0 электропривода. После двенадцатого интервала времени следует включение ключей 7, 8, 9, 24 как и в первом интервале, далее процессы повторяются. Приведенное описание работы электропривода, реализую5 щего известный способ управления, иллюстрируется диаграммами фиг. 2.

Из диаграмм переключения фиг. 2а, фиг. 26 и фиг. 2в следует, что интервалы включенного состояния различного сочетания ука0 занных там однофазных ключей чередуются с интервалами отключенного состояния двигателя от автономного источника энергии, когда одноименные выводы 14, 15, 16 статорной обмотки закорачиваются одно5 фазными ключами б, 8, 10. а трехфазный ключ 24 разомкнут. Из временных диаграмм фиг. 2г - фиг. 2е следует: а) идентичность формы напряженной отдельных фаз статорной обмотки; б) взаимный сдвиг на третью

0 часть их периода повторения; в) использование широтного метода независимого регулирования величины напряжения каждой фазы статорной обмотки, характеризуемого чередованием ступеней этого напряжения

5 различной величины и знака с интервалами нулевой величины напряжения регулируемой продолжительности. Нет необходимости останавливаться подробно на электромагнитных процессах в управляемом двигателе и в инверторе 5, связанных с

поочередным подключением трех фаз лучей звезды статорной обмотки к источнику энергии - они общеизвестны.

Рассмотрим особенности электромагнитных процессов в управляемом асинхрон- ном двигателе, которое обусловлено введением в схему дополнительных элементов - трансформатора 21, диодного моста 2 с конденсатором 23 на его стороне постоянного тока и трехфазного ключа 24, циклически шунтирующего первичную обмотку 20 трансформатора 21, либо обусловливающего последовательное соединение фаз статорной обмотки 13 двигателя с первичной обмоткой 20 трансформатора. Если условно считать трехфазный ключ 24 постоянно в замкнутом состоянии, то схема устройства не отличалась бы от известных схем асинхронного электропривода на основе использования инвертора в ка честве источника энергии регулируемой частоты. Благодаря перечисленным дополнительным элементам данный электропривод лучше извест- ных выполняет роль низкочастотного фильтра, что связано: а) с циклическим увеличением индуктивности в-цепи статорной обмотки по мере увеличения напряжения на . циклически заряжаемом конденсаторе.23;

б) с циклическим разрядом конденсатора 23, запасенная энергия электрического поля которого передается при этом управляемому асинхронному двигателю через посредство инвертора 5. Особенность работы электроприводов состоит также в том, что циклически повторяемое увеличение индуктивности цепи статорной обмотки происходит в те интервалы времени, когда эта обмотка отключена от независимого источника энергии постоянного тока; накапливаемая при этом в конденсаторе 23 энергия возвращается двигателю в следующий интервал времени.

При рациональном выборе емкости конденсатора 23 на стороне постоянного тока диодного моста 2 может иметь место: а) полный разряд его в интервал очередного подключения статорной обмотки 13 к источнику постоянного тока с помощью определенного сочетания полностью управляемых полу- проводниковых ключей 6-11: б) обусловленное этим нулевое значение напряжения на вторичной обмотке 22 трансформатора 21 в самом начале очередного интервала отключенного состояния статорной обмотки от автономного источника 1 постоянного тока, чему соответствует режим короткого замыкания трансформатора 21 относительно его первичной обмотки 20;

в) вытекающее из этого минимальное значение входной индуктивности трансформатора 21 относительно первичной обмотки 20 в момент размыкания трехфазного ключа 24 и связанный с этим минимальный скачок напряжения на размыкаемом ключе 24, что обусловлено так называемыми некорректными начальными условиями переходного процесса 6: г) сочетание существенного улучшения фильтрующих свойств цепи статорной обмотки вследствие циклического увеличения результирующей индуктивности в ней с существенным ограничением перенапряжений на размыкаемом ключе 24; д) улучшение энергетических показателей

предлагаемого устройства по сравнению с известными вследствие циклической передачи двигателю накопленной энергии электрического поля конденсатора 23.

Циклически повторяемое увеличение

индуктивности цепи статорной обмотки двигателя позволит существенно ограничить уровень высших гармоник наименьших Номеров (пятая, седьмая и т.д.) в кривых токах статорной и роторной обмотках двигателя

даже в нижней части диапазона регулирования частоты вращения двигателя без перехода на многократное ТИР. что обусловит: а) относительное уменьшение коммутационных потерь в инверторе; б) возможность использования тиристоров вместо силовых транзисторов в качестве элементов полностью управляемых ключей инвертора; в) связанное с этим существенное увеличение мощности асинхронного частотно-управляемого электропривода; г) существенное уменьшение колебаний электромагнитного момента и частоты вращения двигателя, особенно в нижней части частотного диапазона, что способствует расширению вниз

этого диапазона регулирования частоты вращения.

Формула изобретения Электропривод, содержащий асинхрон- ный трехфазный электродвигатель, трехфазный электродвигатель, трехфазный мостовой инвертор, выполненный на полностью управляемых полупроводниковых ключах, один ИЗ ВХОДНЫХ ВЫВОДОВ ПОСТОЯННОГО

тока которого подключен к одному из зажимов источника постоянного тока, выводы переменного тока инвертора пофазно соединены с одними выводами статорной обмотки электродвигателя, полностью управляемый трехфазный полупроводниковый ключ, отличающийся тем, что, с целью улучшения энергетических показателей при расширении диапазона регулирования частоты вращения, введены трехфазный

диодный мост с параллельно включенным конденсатором на стороне постоянного тока, трехфазный трансформатор, выводы первичной обмотки которого подключены к другим выводам статориой обмотки и к первой группе выводов полностью управляемого полупроводникового ключа, вторая группа выводов которого объединена, выводы первичной обмотки трехфазного трансформатора подсоединены к соответствующим выводам переменного тока трехфазного диодного моста, один из выводов постоянного тока которого подключен к второму зажиму источника постоянного тока, а другой - к второму входному выводу инвертора.

Использование: синхронный частотно- управляемый электропривод на основе использования инвертора. Сущность изобретения: электропривод содержит источник 1 постоянного тока, трехфазный диодный мостовой выпрямитель 2, к выходным выводам 3,4 которого подключен трехфазный инвертор 5 на полностью управляемых полупроводниковых ключах 6-11,-управляемый асинхронный двигатель 12 статорная обмотка которого 13 одной группой своих одноименных выводов 14, 15, 16 присоединена к выходу инвертора 5,- другая группа одноименных выводов 17, 18, 19 присоединена к первичной обмотке 20 трансформатора 21, вторичная обмотка 22 которого присоединена к входу переменного тока диодного моста 2, нагруженного .на стороне постоянного тока конденсатором 23. Первичная обмотка 20 трансформатора 21 зашунтирована трехфазным полностью управляемым полупроводниковым ключом 24.2 ил. tt 00 д ч| N5 ю 1SJJ8 V