Электропривод переменного тока Советский патент 1980 года по МПК H02P7/42 H02M5/02 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в регулируемом электроприводе переменного тока со статическим преобразова телем частоты, обеспечивающим его устойчивую работу независимо от частоты питающего напряжения и режимов работы нагрузки, в частности, йа железнодорожном транспорте для создания тяговой передачи мощности тепловозов переменного тока, а также в электроприводах вспомогательных меха низмов как тепловозов, так и электро возов . Известен электропривод, содержащий преобразователь частоты с непосредственной связью и искусственной коммутацией, выполненный на встречно включенных блоках главных тиристоров а также коммутирукяцие выпрямительные мосты, присоединенные к выходным и входным шинс1М преобразователя с подключением к их входам соответстве но дросселя и узла искусственной ком мутации с цепями разряда и перезаряда коммутирующего конденсатора 1. Недостатком такого устройства является сложность исполнения цепей сброса реактивной энергии, а также ухудщение формы выходного напряжения и КПД. Сложность конструкции цепей сброса реактивной энергии заключается в том, что тиристоры, установленные в цепях сброса, к моменту очередного открытия главных тиристоров встречно включенных блоков необходимо принудительно запирать с помощью других дополнительных коммутирующих тиристоров. в противном случае при определенной индуктивной нагрузке и очередном открывании, например, анодного блока (группы) силовых тиристоров, после запирания катодного блока данной фазы, ток будет поступать через этот анодный блок и еще не закрывшиеся тиристоры, установленные в цепях сброса, на фазовую обмотку другой фазы, что недопустимо. Кроме того при запирании блока силовых тиристоров, например,катодного, в какой-либо фазе реактивный ток нагрузки замыкается сразу по двум другим обмоткам фаз электродвигателя, а должен замыкаться только через обмотку фазы, у которой в данный момент времени открыт анодный блок силовых тиристоров. Это привоит к ухудшению формы кривой выходноо напряжения и КПД преобразователя.

Наиболее близким по технической ущности к изобретению является часотно-регулируемый электропривод, соержащий трехфазный электродвигатель/ азные обмотки которого выполнены в иде двух параллельных секций, стаический преобразователь частоты с епосредственной связью и искусственой коммутацией, выполненный в виде встречно-включенных блоков главных тиристоров/ входы которых связаны с трехфазной сетью, а выход каждого блока главных тиристоров соединен с одной из секций фазной обмотки электродвигателя, узел искусственной коммутации с цепями разряда и перезаряда коммутирующего конденсатора указанного узла, соединенного со входами блоков главных тиристоров статического преобразователя через неуправляемый выпрямительный мост,распределительные тиристоры 2.

Недостатком такого электропривода является сложность исполнения цепей сброса реактивной энергии, ухудшение формы кривой выходного напряжения, а также заниженный диапазон выходных частот и КПД.

Сложность исполнения цепей сброса реактивной энергии заключается в установке дополнительно трех диодов реактивного тока. Кроме того, в процессе разряда реактивной энергии с одной секции фазной обмотки на другую секцию этой обмотки при отключении одного из встречно-включенных блоков тиристоров и подключении другого в ней возникают значительные броски тока и напряжения, приводящие к ухудшению формы кривой выходного напряжения, а незначительный сброс реактивной энергии во время выключенного состояния главных тиристоров встречно-включенного блока понижает частотные свойства преобразователя.

Ограничение верхнего диапазона частот объясняется тем, что перезаряд коммутирующего конденсатора коммутационного узла осуществляется током нагрузки (через обмотку двигателя) и,например, при малых нагрузках конденсатор вообще может не успеть перезарядиться и его напряжение будет недостаточно к очередной коммутации. Кроме того, перезаряд конденсатора через сеть понижает КПД коммутационного узла и, следовательно, преобразователя.

Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции электропривода и повышение КПД.

Поставленная цель достигается тем, что распределительные тиристоры соединены по схеме выпрямительного моста, аноды и катоды распределительных тиристоров подключены к точкам соединения анодов и к точкам соединения

катодов главных тиристоров, а общие точки соединения анодов и катодов распределительных тиристоров замкнуты дополнительно введенным дросселем, средняя точка .которого подключена к коммутирующему конденсатору узла искусственной коммутации статического преобразователя частоты.

Кроме того, узел искусственной коммутации снабжен дополнительными разрядными анодными и катодными группами вентилей с последовательно включенными с ними тиристорами, причем аноды и катоды этих групп подключены соответственно к точкам соединения катодов и анодов главных тиристоров встречно-вкяюченных блоков и к , однополярным выводам секций фазных обмоток электродвигателя, а общая точка соединения катодной дополнительной группы вентилей через тиристор, включенный в проводящем направлении, и общая точка анодной группы вентилей через тиристор, включенный в непроводящем направлении, подсоединены соответственно к общим точкам соединения катодов и анодов неуправляемого выпрямительного моста.

На фиг. 1 изображена принципиаЛЬная схема электропривода со статическим преобразователем с непосредственной связью и искусственной коммутацией; на фиг. 2 - диаграмма распределения управляющих импульсов на тиристорах преобразователя; на фиг.З графики напряжения и тока в секциях фазной обмотки электродвигателя.

Электропривоя содержит электродвигатель, к каждой фазе выходной обмотки 1, 2, 3 которого подключены встречно-включенные блоки 4-9 на управляемых вентилях (фиг. 1). Каждая фаза выходной обмотки электродвигателя выполнена в виде двух параллельно соединенных секций 10, 11, причем фазы включены звездой. Однополярные выводы каждой секции 10, 11 выходной обмотки подсоединены к анодам и катодам тиристоров встречно-включенных блоков 4, 5, другие однополярные выводы каждой секции указанной обмотки замкнуты дросселями 12, 13, средние точки которых соединены между собой.

Общий узел 14 искусственной коммутации состоит из тиристоров 15-18 узла подзаряда коммутирующего конденсатора 19 через дроссель 20, подзаря,да, диодов 21-24, служащих для отвода избыточной энергии, накопленной

.в коммутирующем конденсаторе 19,коммутирующих тиристоров 25, 26 и дросселя 27. Подзаряд коммутирующего конденсатора 19 осуществляется от вспомогательного источника.

Подключается узел 14 искусственной коммутации к тиристорам встречновключенных блоков 4-9 с помощью неуправляемого выпрямительного моста

28 И К распределительному выпрямительному мосту 29 через дроссель 30

Цепь форсированного разряда и перезаряда коммутирующего конденсатора состоит из катодной 31 и анодной 32 групп вентилей, включенных последовательно с тиристорами 33, 34.

Электропривод работает следукидим образом.

При включении главных тиристоров какого-либо встречно-включенного блока реактивный ток нагрузки, вызванный ЭДС самоиндукции данной секции фазной обмотки, протекая в прежнем направлении, замыкается через распределительный выпрямительный мост 29 и дроссель 30 только на секцию той фазы, у которой в данный момент времени открыт питающий ее силовой взаимообратный блок тиристоров. Тем самым обеспечивается непрерывность реактивного тока нагрузки через распределительный выпрямительный мост, а энергия, накопленная в магнитном поле отключаемой секции фазной обмотки, полезно рассеивается на работающую в данный момент секцию другой фазы. Сбрасывание реактивной, энергии через дроссель 30. уменьшает броски тока и напряжения в момент отключения секций.

Особенность работы узла искусственной коммутации заключается в том, что после подачи управляющих импульсов на определенные коммутирующие 25, 26 и распределительные тиристоры выпрямительного моста 29 спустя время задержки utj tg К , где tg - время деионизации тиристоров силового блока,К „„г,- коэффициент за.5НИ

паса, подаются управляющие импульсы на дополнительные тиристоры 33 или 34, вызывая форсированный разряд и перезаряд коммутирукяцего конденсатора по дополнительным контурам,минуя нагрузку, при которых коммутационные процессы не зависят от величины и характера нагрузки преобразователя. При этом уменьшается время разряда и перезаряда коммутирующего конденсатора через нагрузку и сеть, что позволяет расширить диапазон выходных частот и повысить КПД статического преобразователя частоты с искусственной коммутацией.

Рабочий процесс преобразователя частоты при заданном периоде выходной частоты и определенном угле регулирования JL фазосдвигающего устройства регулятора напряжения в секциях одной из фаз (например .1) электродвигателя протекает следукяцим образом (фиг. 2).

Пусть в момент времени -., (фиг. 3) подаются управляющие импульсы на тиристоры блоков 4, 7, 8 и ток нагрузки 1 дпроходит от одной из фаз через секцию 10 фазной обмотки 1 и секцию 11 фазной обмотки 2 к другой фазе.

С момента t до момента t, открыты тиристоры двух анодных блоков 7, 9 и блока 4, и ток нагрузки и напряжение возрастают. В оставшееся время полупериода вьлходной частоты открыты тиристоры блоков 4, 6, 9, и напряжение и ток L Qнагрузки в секции фазы 1 уменьшаются. Перед гашением главных тиристоров катодного блока 4 в момент времени i: за 30° электрических до момента коммутации tg главных тирисOт.оров блока 4 открываются подзарядг ные тиристоры 15, 18 и происходит подзаряд коммутирующего конденсатора 19 с полярностью, указанной на фиг. 1. В момент времени t прекращается подача управлякицих импульсов на главные тиристорял блока 4 и спустя 15° электрических в момент -t подаются узкие импульсы управления на коммутирукнцие тиристоры 25 и 35-40

0 распределительного выпрямительного моста 29. Коммутирующий конденсатор 19 разряжается через проводящий в данный момент времени тиристор блока 4 во встречном направлении по цепи: конденсатор 19, дроссель 30, тирис5 .тор 35,тиристор блока 4, диод неуправляемого выпрямительного моста 28, тиристор 25, дроссель 27. При этом реэультирукяций ток проводившего в момент времени -tg тиристора блока 4

0 уменьшается до нуля, после чего конденсатор перезаряжается током нагрузки от сети через секции 10, 11 фазных обмоток 1, 3 и открытый в данный момент главный тиристор анодного

5 блока 9. В процессе перезаряда к главному тиристору блока 4 прикладывается обратное напряжение в течение времени деионизации тиристора, и он запирается. Приложение к главному

0 тиристору полного обратного напряжения конденсатора уменьшает время и улучшает условия восстановления им запирающих свойств в отличие от схем с шунтированием силового тиристора обратным диодом или тиристором.

5

Спустя время д-tjc tg,-K д после подачи управляющих импульсов на коммутирующий 25 и распределительные 35-40 тиристоры в момент времени-t подаются управляющие импульсы на тиристор

0 33, вызывая,при этом форсированный разряд и перезаряд коммутируюгцего конденсатора по цепи: конденсатор 19, дроссель 30, тиристор 35, диод катодной, группы, тиристоры 33 и 25, комму5тирующий дроссель 27, конденсатор 19. По мере перезаряда конденсатора в момент равенства токов цепи форсированного перезаряда и цепи перезаряда через нагрузку ток тиристора 33

0 становится равн.ым нулю,, и он запирается. Дальнейший дозаряд конденсатора происходит по цепи нагрузки,после чего выключается тиристор 25.

После выключения силового тиристора блока 4 реактивный ток нагруз5ки секции 10 фазной обмотки1, протекающий в прежнем направлении/ замыкается только через работающую в данный момент времени секцию 11 фазной обмотки 3, тиристор 40 на дроссель 3(5, обеспечивая его непрерывность, а протекая по секции 11 фазной обмотки 3, создает рабочий намагничивающий магнитный поток, тем самым повьш1ая КПД и частотные свойства преобразователя. В момент времени ig, спустя время at 15° электрических, открываются главные тиристоры встречно-включенного блока 5 и рабочий процесс преобразователя повторяется,но только для секции 11 .фазной обмотки 1, формирующей в ней магнитный поток встречного направлекия. Точный момент открытия тиристоров определяется углом регулирования Л системы импульсно-фазового управления регулятора напряжения, в связи с этим будет изменяться и форма выходного напряжения преобразователя. Задержка подачи управляющих импульсов встречно-включенных блоков 4 и 5 на время flt 15° электрических вызвана необходимостью исключения появления значительных токов в тирис торах блоков за счет одновременной их работы, при которой ток фазной обмотки ограничивается только ее активными сопротивлениями секций,так как индуктивность обмотки при этом весьма мала. Силовые дроссели 12, 13 небольшой индуктивности также спо собствуют уменьшению токов при замыкании магнитных потоков секций, и, кроме того, ограничивают разрядный ток коммутирующего конденсатора,что позволяет уменьшить его емкость. При протекании тока нагрузки через секцию 11 фазной обмотки 1, ЭДС взаимоиндукции в секции 10 этой фазной обмотки после запирания тиристоров блока 4 и открытых еще тиристоров 35, 40 выпрямительного моста не замыкается на секцию 11 фазной обмот ки 3, так как отрицательный .потенциал анодов этих тиристоров выше отрицательного потенциала катодов.Момент запирания -tj тиристоров 35,40 выпрямительного моста определяется временем разряда реактивной энергии запасенной в секции 10 фазной обмотки 1, то есть равенством суммарной ЭДС сс1моиндукции секции 10 после отключения главных тиристоров блока 4 и ЭДС взаимоиндукции секции 11 после включения блока 5 с напряжением на секции 11 фазной обмотки 3. Аналогично осуществляется процес KONwyTauHH в других фазных обмотках 2 и 3 электродвигателя, импульсы уп равления на которые подаются со сдв гом 120 эл. Наличие у преобразователя отдель ного узла обшей искусственной комму тации с отдельным источником подзар а коммутирующего конденсатора позвояет надежно осуществлять коммутацию при любом законе частотного управления и независимо от входного питающего напряжения сети, особенно при питании от тяговых синхронных генераторов тепловозов, у которых напряжение на выходе непрерывно изменяется примерно в 10 раз в лгобую сторону от номинального. Для улучшения форма выодного напряжения можно применить импульсно-фазовое регулирование выходного напряжения с модуляцией его по модулирующей частоте по треугольному или синусоидальному закону. Применение импульсно-фазового управления силовых тиристоров позволяет уменьшить мощность коммутационных потерь переключения и скорости нарастания анодного тока тиристоров, влияние коммутационных импульсов на величину и форму выходного напряжения, уменьшить величину комл утируквдей емкости и снизить влияние коммутационных помех на сеть, ввиду того, что не все тиристоры одновременно отключаются от сети. Формула изобретения; 1- Электропривод переменного тока, содержащий трехфазный электродвигатель, фазные обмотки которого выполнены в виде двух параллельных секций, статический преобразователь частоты с непосредственной связью и искусственной коммутацией, выполненный в виде рстречно-включенных блоков главных тиристоров, входы которых связаны с трехфазной сетью, а выход каждого блока главных тиристоров соедикен с одной из секций фазной обмотки электродвигателя, узел искусственной коммутации с цепями разряда и перезаряда коммутируквдего конденсатора указанного узла, соединенного со входами блоков главных тиристоров статического преобразователя частоты через неуправляемый выпрямительный мост, распределительные тиристоры, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, распределительные тиристоры соединены по схеме выпрямительного моста, аноды и катоды распределительных тиристоров подключены к точкам соединения анодов и к точкам соединения катодов главных тиристоров, а общие точки соединения анодов и катодов распределительных тиристоров замкнуты дополнительно введенным дросселем, средняя точка которого подключена к коммутирующему конденсатору узла искусственной коммутации статического преобразователя частоты. 2. Электропривод переменного тока по п. 1,отличающийся тем, что, с целью повышения КПД узел

искусственной коммутации снабжен дополнительными разрядными анодными и катодными группами вентилей с последовательно включенными с ними тиристорами, причем аноды и катоды этих групп подключены соответственно к точкам соединения катодов и анодов главных тиристоров встречно-включенных блоков и к однополярным выводам секций фазных обмоток электродвигателя, а общая точка соединения катодной дополнительной группы вентилей через тиристор, включенный в проводящем направлении, и общая точка анодной группы вентилей через тиристор, включенный в непроводящем направлении, подсоединены соответственно к общим точкам соединения катодов и анодов неуправляемого выпрямительного моста.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 269287, кл. Н 02 М 5/28, 1969.

2.Авторское свидетельство СССР № 653711, кл. Н 02 Р 7/42, 197.6.

771840

Л2 J

2m

//

36

37