Асинхронный вентильный каскад

 

АСИНХРОННЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ КАСКАД, содержащий в цепи ротора асинхронного двигателя мостовой выпрямитель, с выходом которого через дроссель связан управляемый инвертор , вход которого зашунтирован блоком искусственной коммутации, отличающийся тем, что, с целью повышения энергетических показателей за счет улучшения гармонического состава инвертируемого напряжения, управляемый инвертор .выполнен в виде трех управляемых однофазных инверторов, блок искусственной коммутации содержит три управляемых ключевых элемента и управляемый коммутатор, управляющие входы которых соединены с блоком управления искусственной коммутацией , три вывода управляемого коммутатора соединены соответственно с одним из выводов каждого из трех управляемых ключевых элементов и образуют три вывода блока искусственной коммутации, четвертый вывод которого образован соединенными наг коротко, четвертым выводом управляемого коммутатора и другими выводами каждого из трех управляемых ключевых элементов, дроссель выполнен в виде трех отдельных сердечников, на каждом из которых расположены по две встречновключенные обмотки, одни выводы которых соединены в (Л звезду и ее нулевой вывод подключен к катодной группе вентилей мостового е выпрямителя, другие выводы обмоток и дросселя подключены соответственно к анодным группам тиристоров однофазных управляемых инверторов и к трем выводам блока искусственной коммутации, четвертый вывод которого хр подключен к соединенным накоротко катодным группам вентилей однофазю :х ных инверторов, подключенным к анодной группе мостового выпрямителя. эо

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) .

HP 762 (21) 3572636/24-07 (22) 04.04.83 (46) 15.05.84. Бюл. Р 18 (72) Я.П.Грейвулис, И.В.Авкштоль, Л.С.Рыбицкий и И.Я.Ранькис (71) Рижский ордена Трудового

Красного Знамени политехнический институт (53) 621.313.333 (088.8) (56) 1.Авторское свидетельство СССР

9 752724, кл. Н 02 Р 7/62, 1980.

2.Авторское свидетельство СССР

Р 900396, кл. Н 02 Р 7/62, 1982. (54) (57) АСИНХРОННЫЙ BEHTHJIbHbIA

КАСКАД, соде рж ащи и в цепи ротор а асинхрон но го дви гателя мо сто вой выпрямитель, с выходом которого через дроссель связан управляемый инвертор, вход которого зашунтирован блоком искусственной коммутации, отличающий с я тем, что, с целью повышения энергетических показателей за счет улучшения гармонического состава инвертируемого напряжения, управляемый инвертор выполнен в виде трех управляемых однофазных инверторов, блок искусственной коммутации содержит три управляемых ключевых элемента и упр авляемый коммутатор, управляющие входы которых соединены с блоком управления искусственной коммутацией, три вывода управляемого коммутатора соединены соответственно с одним из выводов каждого из трех управляемых ключевых элементов и образуют три вывода блока искусственной коммутации, четвертый вывод которого образован соединенными накоротко четвертым выводом управляемого коммутатора и другими выводами каждого из трех управляемых ключевых элементов, дроссель выполнен в виде трех отдельных сердечников, на каждом из которых расположены по две встречновключенные обмотки, З одни выводы которых соединены в звезду и ее нулевой вывод подключен к катодной группе вентилей мостового выпрямителя, другие выводы обмоток и дросселя подключены соответственно к анодным группам тиристоров однофазных управляемых инверторов и к трем выводам блока искусственной коммутация, четвертый вывод которого подключен к соединенным накоротко катодным группам вентилей однофазных инверторов, подключенным к анодной группе мостового выпрямителя.

1092689

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электропривода мощных промышленных установок, например насосных или компрессорных.

Известен асинхронный вентильный 5 каскад, содержащий в.цепи ротора асинхронного двигателя мостовой вы-, прямитель, выход которого через дроссель связан с мостовым управляемым инвертором, вход которого зашун- 10 тирован диодом и тиристором с узлом искусственной коммутации (1 3

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является асинхроняый вентильный каскад, содержащий в цепи ротора асинхронного двигателя мостовой выпрямитель, с выходом которого через дроссель связан управляемый инвертор, вход которого зашунтирован 0 блоком искусственной коммутации t.2 3.

Общими недостатками известных технических решений являются низкое быстродействие блока искусственной коммутации и большое содержание высших гармонических составляющих в инвертируемом напряжении.

Цель изобретения — повышение энергетических показателей за счет улучшения гармонического состава инвертируемого напряжения.

Указанная цель достигается тем,. что в асинхронном вентильном каскаде, содержащем в цепи ротора асинхронного двигателя мостовой выпрямитель, с выходом которого через дрос- 35 сель связан управляемый инвертор, вход которого зашунтирован блоком искусственной коммутации, управляемый инвертор выполнен в виде управляемых однофазных инверторов,блок искусствен-40 ной коммутации содержит три управляемых ключевых элемента и управляемый ком- мутатор, управляющие входы которых соединены с блоком управления искусственной коммутацией, три вывода 45 управляемого коммутатора соединены соответственно с одним из выводов каждого из трех управляемых ключевых элементов и образуют три вывода блока искусственной коммутации, четвер- 50 тый вывод которого образован соединенными накоротко четвертым выводом управляемого коммутатора и другими выводами каждого иэ трех ключевых элементов, дроссель выполнен в виде трех отдельных сердечников, на каждом из которых расположены по две встречновключенные обмотки, одни выводы .которых соединены в звезду и ее нулевой вывод подключен к катодной группе вентилей мостового выпря- 60 мителя, другие выводы обмоток дросселя подключены соответственно к анодным группам тиристоров однофазных управляемых инверторов и к трем выводам блока искусственной 65 коммутации, четвертый вывод которого подключен к соединенным накоротко катодным группам вентилей однофазных инверторов, подключенным к анодной группе мостового выпрямителя.

На фиг. 1 изображена функциональная схема асинхронного вентильного каскада; на фиг, 2 — выполнение управляемого коммутатора; на фиг. 3выполнение блока управления тиристо рами инвертора; на фиг. 4 - выполнение блока управления искусственной коммутацией; на фиг. 5 — диаграмма формирования инвертируемого напряжения.

Асинхронный вентильный каскад содержит асинхронный двигатель 1, (фиг. 1), в цепь фазного ротора которого включен мостовой выпрямитель 2. Выпрямитель 2 связан с катодной группой вентилей, т.е. "плюс" шиной дросселем, имеюшим обмотки 38, из которых 3, 5 и 7 соединены последовательно-встречно с соответствующими обмотками 8, 4 и б. При этом они попарно расположены на каждом из трех сердечников дросселя, показанных штриховыми линиями на фиг. 1.

Начало и конец каждой вторичной обмотки согласующего трансформатора

9 управляемого инвертора 10, выполненного на тиристорах 11-22, подключаются парами с общими анодами тиристоров инвертора 11 и 14, 15 и 18, 19 и 22 к соответствующим обмоткам

6, 4 и 8 сглаживающего дросселя, а парами тристоров инвертора — с общими катодами 12 и 13, 16 и 17, 20 и 21 к анодной группе вентилей, т.е. к

"минус" шине мостового выпрямителя 2.

Управляемые ключевые элементы, т.е.. закорачивающие ключи 23-25 подключены к "минус" шине выпрямителя 2 и обмоткам. сглаживающих дросселей

8, 4, б соответственно, а трехфазный управляеж и коммутатор 26 имеет связь с каждой из указанных обмоток 8,4,6 и также с "минус" шиной выпрямителя

2. Блок управления тиристорами инвертора 27 присоединен к управляющим электродам тиристоров инвертора

11-22, а блок управления искусствен-. ной коммутацией 28 выходами связан с соответствующими управляющими входами ключевых элементов 23-25 и коммутатора 26, которые образуют блок искусственной коммутации 29.

Первичная обмотка трансформатора

9 подсоединена к источнику питания асинхронного двигателя 1.

Трехфазный управляемяй коммутатор

26 (фиг. 2) содержит коммутирующий конденсатор 30 и катушку индуктивности 31. Один вывод конденсатора связан с катодами тиристоров 32-34, а второй вывод — с катодами тиристоров 35-37, Анод тиристора 38 соеди1092689 нен с одним выводом конденсатора 30, другой вывод которого соединен с анодом тиристора 39, катод которого соединен с катодом тиристора 38.

Аноды тиристоров 32 и 37 соединены с обмоткой 8 первой фазы сглаживающего дросселя и катодом диода 40, аноды тиристоров 33 и 36 - с обмоткой 4 второй фазы сглаживающего дросселя и катодом диода 41, аноды тиристоров 34 и 35 соединены с обмот- 10 кой б третьей Фазы сглаживающего (дросселя и катодом диода 42, а катоды тиристоров 38 и 39 подсоединены к "минус" шине мостового выпрями" теля 2 и катушке индуктивности 31, второй конец которой связан с объединенными анодами диодов 40-42.

Блок управления тиристорами инвертора 27 (Фиг.3) состоит из блока синхронизации 43, на который подается трехфаэное напряжение, причем это

20 напряжение находится в фазе с трехфаэным напряжением вторичной обмотки трансформатора 9 иннертора 10. Блок синхронизации подает синхронизирующее напряжение на блокинг-генераторы 44-49, которые вырабатывают управляющие импульсы.

Блок управления искусственной коммутацией 28 (фиг. 4) состоит иэ блока синхронизации 50, который соединен соответственно с генераторами импульсов 51-53, что обеспечивает кратность периода вырабатываемых генераторами импульсов периоду напряжения сети. Генераторы импуль- З5 сов 51-53 связаны с формирователями импульсов 54-57, которые формируют управляющие сигналы для тиристоров управляемого коммутатора 26.

Два триггера 58 и 59 уровня на- 40 пряжения на конденсаторе 30, соединены с соответствующими входами формирователей импульсов 54-57. Выходы генераторов импульсов 51-53 соединены с входами генераторов пилообраз- 45 ного напряжения 60-62, выходы которых соединены с одними входами нульорганов 63-65, другие входы которых соединены между собой и подключены к выходу блока синхронизации. Выходы нуль-органов 63-65 соединены соответственно с входами формирователей импульсов 66-68, выходы которых соединены с упранляющими входами управляеьых ключей элементов

23 25. 55

Асинхронный вентильный каскад функционирует следующим образом.

Ток ротора асинхронного двигателя 1 (фиг.1) выпрямляется мостоным ныпрямителем 2. Выпрямпенный ток . 60 равномерно распределяется между тремя фазами знена постоянного тока (последовательно соединенные обмотки дросселя 3 и 8, 5 и 4, 7 и б соответственно). В каждой фазе ток 65 проходит через обмотки дросселя 3-8 и сглаживается. В каждую фазу вклю" чены дне обмотки, расположенные на разных сердечниках и, с другой стороны, на каждом сердечнике намотаны обмотки двух фаз. Это создает взаимную магнитную связь между фа" зами звена постоянного тока и уменьшает колебания тока в каждой фазе звена постоянного тока, способствует равномерному распределению тока между фазами. Например, при увеличении тока в первой фазе звена постоян" ного тока, в которую входят последо нательно соединенные обмотки сглаживающего дросселя 3 и 8, в них наводится ЭДС, направленная встречно по отношению к току. Одновременно ЭДСнаводится в обмотке 4, расположенной на одном сердечнике с обмоткой 3, и обмотке 7, расположенной на одном сердечнике с обмоткой 8, причем направлена она таким образом, что способствует увеличению тока во второй и третьей фазе. Это уменьшает неравномерность распределения тока между отдельными фаз ами.

Поскольку токи отдельных фаз звена постоянного тока по величине блиэкиг дне встречно включенные обмотки на одном сердечнике, входящие в цепи питания разных однофазных инверторов, практически не создают постоянной составляющей магнитного потока в каждом сердечнике сглаживающего дросселя.

Каждая фаза нторичной обмотки согласующего трансформатора 9 инвертора выполняется независимой. Тиристорные мосты (тиристоры 11-14, 15-18, 19-22) образукщие однофазные инверторы, н диагонали которых включены фазы трансформатора, дают возможность пропускать ток через обмотки трансформа тора в обоих направлениях, причем каждая фаза трансформатора питается от сноей фазы звена постоянного тока.

Такое исполнение звена постоянного тока и инвертора создает возможности для независимой работы каждой фазы трансформатора инвертора и модуляции иннертируемого тока.

Модуляция тока инвертора по синусоидальному закону осуществляется согласованной работой тиристорных мостов (тиристоры 11-22), в одну диагональ каждого из которых включена своя вторичная обмотка согласующего трансформатора инвертора, закорачивающих ключей 23-25 и крмйутатора 26, что обеспечивается. блоками управления 27. и 28.

Для одной фазы трехфазного инвертора 10 последовательность работы входящих в нее тиристоров 11-14, закорачинающего ключа 25 и коммутатора 26 следукщая.

1092689

Блок управления тиристорами инвертора 27 с появлением на вторичной обмотке рассматриваемой фазы трансформатора напряжения соответствующей полярности подает сигнал управления на тристоры 11 и 12 тиристорной схе- 5 мы. В это время постоянный ток, проходящий по обмоткам 7 и 6 сглаживающего дросселя, замыкается через закорачивающий ключ 25 (0 — 1„, фиг. 5).

Блок управления закорачивающими клю- (0 чами и трехфаэным коммутатором 28 периодически подает сигнал на трехфазный коммутатор 26, который отключает закорачивающий ключ 25 (время фиг.5), ток коммутируется,в фазу трансформатора 9 через тиристоры 11 и 12, сигнал упрàweния на которые продолжает подаваться блоком управления тиристорами инвертора 27.

При нарастании пилообразного напряжения до величины синусоидального, сравнение напряжения происходит в блоке управления эакорачнваницими ключами и трехфазным коммутатором 28 (время

25, ток из фазы трансформатора инвертора "вытесняется" напряжением обмотки трансформатора в закорачивающий ключ (время г t, фиг.5 ). Лалее про- 30 цессы повторяются в указанном порядке до тех пор, пока напряженйе в рассматриваемой фазе трансформатора инвертора не поменяет знак. После этого блок управления тиристорами инвертора 27 снимает управляющий сигнал с тиристоров 11 и 12 и подает сигнал управления на тиристоры

13 и 14 тиристорной схем того же однофазного инвертора. В следующий полупериод работа всех элементов 40 схемы подобна работе в течение предыдущего полупериода, но ток через обмотку трансформатора инвертора пропускается тиристорами 13 и 14 в противоположном направлении (фиг.5) . 45

Работа остальных фаз происходит аналогичным образом.

Трехфазный коммутатор 26 работает следующим образом.

При необходимости отключить зако- 50 рачивающий ключ 25 блок управления закорачивающими ключами и коммутатором 28 подает управляющие сигналы на тиристоры 35 и 38. Коммутирующий конденсатор начинает перезаряжаться по цепи. "тиристор 38, катушка индук-, тивности 31, диод 42, тиристор 35.

Ток из эакорачиваки его ключа 25 переходит в цепь: тиристор 35, коммутирующий конденсатор 30, тиристор 38.

Когда коммутирующий конденсатор 30 60 перезаряжается до напряжения, равного фазному напряжению соответствующей вторичной обмотки согласующего трансформа- тора 9,ток переходит в эту фазу инвертора 10,а коммутатор готов к новому рабо-65 чему циклу. Поскольку полярность напряжения на коммутируки ем конденсаторе 30 . поменялась, то в следунхций цикл вступает s работу тиристор 39 и один из тиристоров 32-34 в зависимости от того, какой из эакорачивающих,ключей 23,24 или 25 соответственно должен быть отключен °

Изменения противо-ЭДС трехфазного инвертора 10, регулирование которой осуществляют с.целью получения требуемой частоты вращения асинхронного двигателя с фазным ротором 1, добиваются посредством изменения амплитуды пилообразного напряжения в блоке управления закорачивающими ключами и трехфазным коммутатором 28 (интервалы времени 0- + -,-+„,фиг. 5).

В блоке 27 управление блокинггенераторами 44-49 осуществляется таким образом, что они включают нужные тиристоры каждого однофазно-. го инвертора в зависимости от полярности напряжения во вторичных обмотках трансформатора инвертора, т.е. в каждой паре блокинг-генераторов 44 и 45, 46 и 47, 48 и 49 полпериода работает один, а полпериода — второй блокинг-генератор.

В блоке управления искусственной коммутацией 28 формирователь импульсов 54 запускается генератором им,пульсов 51, причем частота следования импульсов от этого генератора пропорциональна частоте сети, и включает один иэ тиристоров 32 или 37 B зависимости от полярности напряжейия на коммутирующем конденсаторе 30, которое контролируют два триггера уровня 58 и 59. Формирователь импульсов 57 включает тиристоры 38 или 39 при поступлении на него сигнала от любого из генераторов импульсов 5153 с учетом полярности напряжения на коммутирующем конденсаторе 30.

Все это приводит к срабатыванию коммутатора 26 (1,,, фиг.5) .

Каждый из генераторов импульсов

51-53 осуществляет сброс своего генератора пилообразного напряжения

60-62 соответственно (время Ф„,1, фиг.5). Напряжение от генераторов пилообразного напряжения 60-62 и напряжения от блока..синхронизации

50 сравниваются нуль-органами

63-65. При их равенстве соответствующий нуль-орган срабатывает и эа" пускает один из формирователей импульсов 66-68, которые включают закорачивающие ключи 23-25 (время

t4, фиг.5 ), Таким образом в управляемом инверторе создаются условия для модуляции инвертируемого тока по синусоидальному закону, снижения удельного веса высших гармоник и вызываемых ими потерь и, следовательно, улучшения энергетических показателей.

1092689 д)иг,2

10926 89

1092689

1092689 щит 5

Составитель И. Волошиновский

Редактор Т.Парфенова. ТехредС .Мигунова, Корректор А.Дзятко

Заказ. 3273/42 Тираж 667 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðîä, ул.Проектная,4