Тиристорный преобразователь постоянного тока в переменный Советский патент 1981 года по МПК H02M7/515 

Изобретение относится к силовой полупроводниковой преобразовательной технике, преимущественно предназначено для частотного регулирования : скорости асинхронных и синхронных электродвигателей, и может найти применение в статических преобразоватег лях частоты различного назначения и как преобразовательное устройство в установка х, служащих в качестве автономных источников электроэнергии переменного тока. Известен преобразователь постоянного тока в трехфазный ток, представляющий собой автономный инвертор тока (АИТ-) , используемый в статических преобразователях частоты для частотг ного регулирования скорости асинхронных электродвигателей . АИТ подключен к источнику постоянного напряжегния через индуктивный фильтр и представляет собой статический коммутатор состоящий из двух трехфазных мосто.вых схем основных и коммутирующих тиристоров, между соответствующими , общими точками которых включены три коммутирукмцих конденсатора. К выходным зажимам трехфазной мостовой схеьш основных тиристоров подключена статорная обмоткф асинхронного двигателяРЗ. Недостатками известного устройства являются большая установленная мощность коммутирующих конденсаторов и ограниченнный сверху диапазон измеп нения выходной частоты АИТ. Указанные недостатки обусловлены. тем, что в известной схеме АИТ кок- . пенсация реактивной энергии, запасенной в индуктивностях рассеяния обмоток асинхронной мащины, осущестЕ|ляется коммутирующими конденсаторами, вслед ствие чего величина ее емкости выбирается не из условия обеспечения коммутационной устойчивости АИТ, а из условия получения заданного максимального уровня напряжения на элементах АИТ при максимальном токе на выходе iHBepTOpa. Величина емкости комкутирующнх конденсаторов, выбранная по последнему критерию, значительно превышает необходимую величину емкости. Выбранную по критерию коммутационной устойчивости. Во время кo {мyтaции тока из одной фазы двигателя в другую коммутирующий конденсатор оказывается включенным последовательно в цепь протекания силового тока и перезаряжается этим током, т.е. скорость перезаряда конденсатора определяется величиной тока двигателя. I В том случае, когда двигатель работает на холостом ходу, время перезаряда возрастает в среднем в три раза по сравнению с номинальным режимом. Это явление усугубляется тем, что в личина емкости коммутирующих конденсаторов завышена в несколько раз по Причине указанной выше. В итоге при работе асинхронного двигателя (АД) на холостом ходу в области повьш1енны частот (например, 50-1000 Гц) коммутирующие конденсаторы не успевают пе резаряжаться током нагрузки и работа системы ДИТ-АД становится неустойчивой, что практически исключает возможность эксплуатации рассматриваемой схемы ЛИТ с АД в указанных режимах . Известен также АИТ, в котором кол чество коммутирующих тиристоров снижено до двух. Эти тиристоры соединены согласно в последовательную цепоч ку, причем свободный анод одного из них подключен к общим анодам, а свободный катод другого - к общим катодам трехфазной мостовой схемы основных тиристоров, к выходным зажимам которой подсоединены обкладки трех коммутирующих конденсаторов, а свободные обкладки коммутирующих кон денсаторов объединены между собой и связаны со средней точкой Двух ком мутирующих тиристоровГ23. Данному устройству также свойстг венны вышнуказанные недостатки, обус ловленные аналогичными причинами, Кроме того, подключение коммутирующи конденсаторов, соединенных в звезду, непосредственно к зажимам асинхронно двигателя, может приводить к самовoзбyждeникf двигателя, нарушающего нормальный режим работы инвертора. Известен также трехфазный АИТ, со ранный по схеме с междуфазовой комму тацией, с отсекающими диодами и с двумя трехфазными батареями коммутирующих конденсаторов. Для обеспечени коммутационной устойчивости в период уска асинхронного двигателя инвертор снабжен индивидуальным подзаряжающим источником постоянного тока, содержащим на выходе две трехфазные вентильные схемы, подключенные параллельно двум трехфазным батареям ком мутирукяцих конденсаторов. К выходным зажимам инвертор а, соединённым со статорной обмоткой асинхронного двига теля, подключен дополнительный трехфазный неуправляемый выпрямитель,вы ход которого по постоянному току свя зан с индивидуальным источником ограничивающей противо-ЭДС,включающим в себя инвертор с автономной системой правления.Указанный источник ограниивающей противо-ЭДС осуществля, т компенсацию реактивной энергии, апасенной в индуктивностях рассея ия асинхронного двигателя, что позвояет устранить вьш1еуказашгые недостати известных устройств ГЗ. ь Недостатками этого решения являются большая установленная мощность коммутирующих конд. нсаторов, многоэлементность выходной части подзаряжающего источника и дополнительного неуправляемого выпрямителя, что приводит к значительному увеличению массо-габаритных показателей инвертора и к снижению показателя его надежности. Это обусловлено тем, что устройство принудительной коммутации в этом инверторе выполнено по схеме с двумя группами коммутирующих конденсаторов , каждая из которых представляет собой трехфазную батарею, соединенную в треугольник. Суммарная емкость одной батареи в два раза превышает емкость, необходимую для коммутации тиристоров. Соответственно полная емкость всех коммутирующих конденсаторов инвертора в четыре раза превьппает требуемую ем-: кость . Во столько же раз увеличивается количество,этих конденсаторов . Многофазное исполнение батарей коммутирующих конденсаторов и подключение дополнительного выпрямителя к трехфазному выходу инвертора влечет за собой многофазное исполнение выхо- дной части подзаряжающего источника постоянного тока и дополнительного неуправляемого выпрямителя, вследствие чего возрастает количест58во вентильных элементов в инверторе. При отсутствии резервирования в схеме ее надежность уменьшается с увеличением элементной базы. Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь, содержа щий выпрямитель, вход которого под|ключен к питающей сети, а выход - к шинам питания однофазного тиристорного моста, блок коммутации, выполненный из коммутирующих дросселей, и конденсаторов, а также контур возв рата избыточной энергии, накапливаемой в конденсаторах, выполненный в в де последовательно соединенных выпрямителя и ведомого сетью инвертора, выход которого через согласующий тра сформатор подключен к сети, а вход выпрямителяподключен к выходу указанного однофазного тиристорного мое таГА. .. Недостатком этого преобразователя являются завышенные массо-габаритные показатели из-за чрезмерно большого числа коммутирующих дросселей и конденсаторов, что особенно проявляет ся при пониженных выходных частотах преобразователя. Это ограничивает область применения такого устройства. Этот недостаток усугубляется дри выполнении преобразователя с трех фазным выходом. Кроме того, вместо однофазного выпрямителя должен использоваться трехфазный. Цель изобретения - упрощение преобразователя и расширение областей его применения. Поставленная цель достигается тем что в тиристорном преобразователе, содержащем мост основньсх тиристоров, блок принудительной коммутации, включаюший в себя по крайней мере один . коммутирующии конденсатор, контур воз врата избыточной энергии, накапливаемой на конденсаторе, выполненный в .ви де последовательно соединенных выпрямителя и ведомого сетью инвертора, вы ходом связанного с сетью переменного тока через согласующий трансформатор а также блоки управления мостом основных тиристоров , блоком принудитель ной коммутации и ведомым сетью инвертором, вход упомянутого выпрямителя -родключен к обкладкам коммутирующего конденсатора. На чертеже изображена электрическая принципиальная схема предлагаемого инвертора тока. Трехфазный автономный инвертор тока (АИТ) включает в себя статистический коммутатор, образованный трехфаа- ными мостовыми схемами основных тиристоров 1-6 и вспомогательных тиристоров 7-12 и двумя коммутирующими тиристорами 1 3 и 14,включенными последовательно согласно коммутирующий конденсатор 15,индуктивный фильтр 16 и источник 17 постоянного напряжения. Аноды тиргсторов 1,2,3 и 13 подсоедннеш к одному выводу фильтра 16,другой вывод которого подключен к пoлoжитeльнo fy полюсу источника 17. Катоды тиристоров 4,5,6 и 14 подсоединены к отрицательному полюсу источника 17. К выходу трехфазного моста основных тиристоров 1-6 подключены асинхронный двигатель 18 и средние точки моста вспомогательных тиристоров 7-12. Аноды тиристоров 7-9 объединены с катодами тиристоров 10-12 и подключены к одной обкладке конденсатора 13, дру-,: гая обкладка которого связана с общей точкой коммутирующих тиристоров 13 и. 14. Каждая фаза асинхронного двигатег ля 18 представлена в виде последовательно соединенных источника 19 переменной противо-ЭДС и индуктивное-. ти 20 рассеяния. Коммутирующий конден-г сатор 15 образует одну группу коммутирующих конденсаторов. Для повышения коммутационной устойчивости АИТ при пуске в схеме предусгмотрен трехфазный трансформатор 21, первичная обмотка 22 которого подсоединена к питающей сети 23 переменного тока. Трансформатор 21 выполнен с двумя вторичными обмотками 24 и 25. Одна вторичная обмотка 24 связана со средними точками мостового выпрямителя 26 на диодах,к выходу которого параллельно подключен конденсатор 27. Подзаряд тиристоры 28-31 соединены в однофазную мостовую схему, средние точки которой подключены соответственно к двум обкладкам коммутирукмцего конденсатора 15. Общие катгоды тиристоР° связаны , с общими анодами выпрямителя 26. Общие аноды тиристо ров 28 и 31 связаны с одним выводом подзарядного дросселя 32, другой вывод которого подключен к като выпрямителя 26. К коммутирующе конденсатору 15 под1слючен -вход моо ОБОЙ выпрямительной схемы на диодах 33-36, к выходу которой подсоединен параллельно дополнительный конденсату тор 37. Другая вторичная обмотка 25 трансформатора 21 подсоединена к средним точкам трехфазной мостовой схемы на тиристорах 38-43, образующих ведомый инвертор. Между общими катодами диодов 33 и 36 и общими анодами тиристоров 41-43 включен дроссель 44 а общие аноды диодов 34 и 35 соединены с общими катодами тирис оров 38-40 Управляющие электроды тиристоров 3843 подключены к выходу системы 45 ynравления, вход которой связан с питаю щей сетью 23 линией 46 связи. Преобразователь работает следующим образом. Диоды 33-36, конденсатор 37, дросг сель 44, тиристоры 38-43, вторичная обмотка 25 трансформатора 21 образуют совместно устройство, служащее для компенсации энергии, запасенной в индуктивностях рассеяния обмоток асин хронного двигателя 18 с помощью постоянной противо-ЭДС, формируемой на конденсаторе 37. Величина противоЭДС задается с помощью автономной сис темя 45 управления тиристорами 3843, образующими совместно с трансформатором 21 ведомый инвертор. Значение величины противо-ЭДС выбирается так , чтобы она была равна амплитуде первой гармоники максимального ли- нейного напряжения на выходе авто номного инвертора тока )(на зажимах А, В и с) . Предположим, что включены основные тиристоры 3 и 4. Ток нагрузки замыкается по цепи : положительный полюс источника 17, фильтр 16, тиристор 3, фазы А и С асинхронного двигателя 18, тиристор 4, отрицательный полюс источника 17. Коммутирующий конденсатор) 15 заряжен с полярностью, указанной на.чертеже слева. Линейное напряжение Од в момент коммутации имеет полярность, указанную на чертеже около зажимов А и В. Для перевода тока нагрузки из фа-зы А в фазу Б двигателя подаются включающие управляющие сигналы на тиристоры ; основной 2 вспомогательп ный 9, коммутирующий 13. Напряжение с коммутируюп его конденсатора 15 прикла дывается в запирающем направлении к основному тиристору 3, который вследствие этого выключается. Основной тиристор 2, хотя на его управляющий электрод подается разрещающий сигнал, не проводит ток, так как он смещен в обратном направлении суммар88 ным напряжением коммутирующего конденсатора 15 и фаз А и В- двигателя 18. Начинается первый интервал коммутации, во время которого коммутирую пщй конденсатор 15 перезаряжается постоянным током нагрузки. НаТтряжение на конденсаторе 15 меняет полярность , которая показана на-чертеже справа. Когда напря: ение на конденсаторе 15 становится равным по величине линейному напряжению Уд, открывается основной тиристор 2. Начинается второй интервал коммутации, на котором энергия, запасенная в индуктивностях рассеяния фазы А двигателя, переходит в коммутирующий кон-е денсатор 15. Вследствие этого,напряжение на конденсаторе 15 продолжает расти, и когда оно становится раву ным по величине противо-ЭДС, сформированной на конденсаторе 37, открываг ются диодал 34- и 36. Далее реактивная энергия двигателя 18 передается через ведомый инвертор на тиристорах 38-43 и трансформатор 21 в питакицую сеть 23. Напряжение на конденсаторе 15 и линейное напржение L | ограничиваются на уровне противо-ЭДС конденсатора 37. Ток в фазе А двигателя уменьшается до нуля, а в фазе В возрастает до установивдегося значения. Тиристоры 9 и 13 выключаются. На этом кончается процесс коммутации тока из фазы А в фазу В двигателя. Аналогично происходит процесс коммутагщи и в других фазах двигателя. С целью обеспечения возможности автоматического отключения конденсатора 37 QT коммутируницего конденсатора 15 в качестве вентилей 33 36 ТВ схеме могут быть включены тиристоры , управлякмцие электроды которых подключены к системе управления АИТ и через формирователи управляющих импульсов - к различным логическим устройствам и датчикам. В случае гальванической развязки источника 17 и сети 23 вторичная обмотка 25 трансформатора 21 может быть исключена, а тиристоры 38-43 подключены непосредственно к питающей сети 23. В предлагаемом автономном инверторе тока компенсация реактивной энергии индуктивностей рассеяния вигателя с помощью источника противо-ЭДС позволяет в несколько раз уменьшить величину емкости коммутирующих конденсаторов и уменьшить тем самым полное время коммутации за сче ускорения перезарядки коммутирую щего конденсатора постоянным током нагрузки и уменьшения периода собственных колебаний контура, облг разованного емкостью коммутирующего конденсатора и индуктивностью рассеяния двигателя. При этом уменьшаются оба интервала коммутации. В результате уменьшения полного времени коммутации возрастает верхний предел максимальных выходных частот пре лагаемого АИТ, что дает возможность использовать его в преобразователях частоты для высокоскоростных Электро приводов переменного тока. Формула изобретения Тиристорный преобразователь посто янного тока в переменный, содержащий мост основных тиристоров, блок прину дительной коммутации, включающий в себя по крайней мере один коммутирующий конденсатор , контур возврата избыточной энергии, накапливаемой на конденсаторе, выполненный в виде последовательно соединенных выпрямителя и ведомого сетью инвертора, выходом связанного с сетью переменного тока через согласующий трансформатор, а также блоки управления мостом основных тиристоров, блоком принудительной коммутации и ведомым сетью инвертором, отличающийся тем, что, с целью упрощения и расширения области применения , вход упомянутого выпрямителя подключен к обкладкам коммутирующего конденсатора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 146859, кл. Н 02 М 7/48, 1962. 2.Известия высших учебных заведений. Электромеханика, 1966, № 10, с. 1121. 3.Авторское свидетельство СССР № 663042. кп. Н 02 М 5/443,. н 02 М 5/27, 1977. а. Заявка Японии № 49-15289, кл. 56 В 4, (Н 02 М 5/44),1974.