Электропривод переменного тока

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в судовом и металлургическом оборудовании. Целью изобретения является уменьшение потерь электроэнергии путем снижения потребления реактивной мощности из сети переменного тока при любых значениях скольжения ротора двигателя. Электропривод переменного тока содержит асинхронный двигатель 1 с включенными в его роторную цепь последовательно соединенными мостовым выпрямителем 5, ведомым сетью инвертором 4 и мостовым выпрямителем 3. Трехфазный вход мостового выпрямителя 5 чепез параметрический стабилизатор 6 переменного тока подключен к выводам обмотки статора асинхронного двигателя 1. Между трехфазными выходами инвертора 4 и общей точкой выводов выпрямленного тока выпрямителей 5, 3 включен управляемый вентильный преобразователь (УВП) 7. Угол управления вентилями инвертора 4 установлен постоянным, а угол управления вентилями УВП 7 изменяют в диапазоне от 0 до 180°, при этом в диапазоне углов от 0 до 90° УВП 7 работает в инверторном режиме, а в диапазоне углов от 90 до 180° - в выпрямительном режиме. Напряжение УВП 7 изменяют до величны, равной половине напряжения на выходе выпрямителя 3 при неподвижном роторе. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) А1 (50 4 Н 02 P 7 62

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ fKHT СССР (21) 4191771/24-07 (22) 10,02.87 (46) 30,04,89. Бюл.У 16 (71) Институт электродинамики

АН УССР, Киевский политехнический институт им. 50-летия Великой Ок".. тябрьской социалистической революции и Украинский научно-исследовательский и конструкторский институт по разработке машин и оборудования для пере" работки пластических масс, резины и искусственной кожи (72) В.П.Акушин, И.В.Волков, Г,Г.Восканян, В.Н.Исаков, А.В.Ковальчук, А.П.Плугатарь> А.Л,Радченко и B П.Стяжкин (53) 621.34.57(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N - 1379933, кл. Н 02 P 7/62, 1986.

Авторское свидетельство СССР

1(1431027, кл. Н 02 Р 7/62, 1986.

2,(54) ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в судовом и металлургическом оборудо" вании. Целью изобретения является уменьшение потерь электроэнергии нутем снижения потребления реактивной мощности иэ сети переменного тока при любых значениях скольжения ротора двигателя, Электропривод перемен; ного тока содержит асинхронный двигатель 1 с включенными в его роторную цепь последовательно соединенными мостовым выпрямителем 5, ведомым сетью инвертором 4 и мостовым выпрямителем 3. Трехфазный вход мостового выпрямителя 5 через параметрический стабилизатор 6 переменного тока подключен к выводам обмотки статора асинхронно ro двигателя 1 . Между трех1476590 фазными выходами инвертора 4 и общей точкой выводов выпрямленного тока выпрямителей 5,3 включен управляемый вентильный преобразователь (УВП) 7.

Угол управления вентилями инвертора

4 установлен постоянным, а угол управления вентилями УВП 7 изменяют в о диапазоне от 0 до 180, при этом в

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электроприводу переменного тока на базе асинхронно го двигателя с фазным ротором, и может быть использовано, например, в судовом и металлургическом электрооборудовании, требующем регулирования момента и скорости с высокими энергетическими показателями. 10

Цель изобретения — уменьшение потерь электроэнергии путем снижения потребления реактивной мощности из сети переменного тока при любых значениях скольжения ротора двигателя, На фиг.1, 2 представлены функциональные схемы электропривода переменного тока с различным выполнением управляемого вентильного преобразователя; на фиг.3 - расчетные зависимости потребления электроприводом реактивной мощности в функции момента; на фиг.4 — кривые расчетных зависимостей потребляемой электроприводами реактивной мощности в функции

25 скольжения для И = О.

Электропривод переменного тока содержит асинхронный двигатель 1 (фиг.1,2} с фазным ротором, обмотки статора которого предназначены для подключения к сети 2 переменного тока, выводы обмоток ротора подключены к входу первого мостового выпрямителя 3, катодная группа вентилей которого соединена с анодной группой 35 вентилей ведомого сетью инвертора 4.

Катодная группа вентилей инвертора

4 соединена с анодной группой вентилей второго мостового выпрямителя 5, трехфазный вход которого связан с вы- 40 водами. обмоток статора через параметрический стабилизатор 6 переменного диапазоне углов от 0 до 90 УВП 7 работает в инверторном режиме, а в диапазоне углов от 90 до 180 — в выпрямительном режиме. Напряжение

УВП 7 изменяют до величины, равной половине напряжения на выходе выпрямителя 3 при неподвижном роторе, 2 з.п. ф-лы, 4 ил, тока. Катодная группа вентилей второго MocToBQI выпрямителя 5 соединена с анодной группой вентилей первого мостового выпрямителя 3 и с выводом выпрямленного тока управляемого вентильного преобразователя 7, трехфазный выход которого соединен с соответствующими фазными выходами ведомого сетью инвертора 4.

Управляемый вентильный преобразователь 7 может быть выполнен по трехфазной схеме с нулевым выводом, как это показано на фиг.1, и в виде двух трехфазных встречно-параллельно включенных схем с нулевым выводом, как это показано на фиг.2.

Электропривод переменного тока работает следующим образом.

Управление координатами электро-.. привода (частотой вращения и моментом) осуществляют изменением величины стабилизированного тока I, опре; деляющего амплитуду переменного тока в роторных обмотках двигателя 1 при питании статорных обмоток от сети 2 переменного тока и наличии соответствующих контуров регулирования. Это . изменение происходит благодаря ответвлению части тока I „ выпрямленного мостом 5 тока I параметрического стабилизатора 6 переменного тока, величина которой определяется углом управления вентилей управляемого преобразователя 7, I

Сумма выпрямленного напряжения (ЭДС ротора) V на выходе мостового выпрямителя 3 и напряжения на выпрямителе 5 V постоянна по величине и равна напряжению Ч „„ на входе нерегулируемого инвертора 4 с фикси;. рованным углом управления вентилями:

1476590 ни д ст

Это приводит к тому, что при изменении скольжения ротора S от 0 до 1 (а значит Ч,! от 0 до Ч! V ) 5

Уаттс напряжение V изменяется от Ч,. ст мамс

-Ч„„до 0 °

Так как мостовая схема нерегулируемого инвертора 4 симметрична, то при ее включении, как на фиг.1, следует рассматривать анодную и катодную, группы вентилей инвертора 4 раздельно и определить на них напряжения.

V = V

Чни Ч н (1) () !5 нид Мак 2 2 ° где V — напряжение на выходе мостодн вого выпрямителя 3 при неподвижном роторе (S = 1, V = О) двигателя 1, Угол управления вентилями P „ин 7р вертора 4 установлен постоянным и соответствует Чни = Vd„, а угол управления 8 вентилями преобразователя 7 изменяют в диапазоне от 0 до

180, причем при 0 P < c 90 уп- 25 равляемый преобразователь 7 работает в инверторном, а при 90 (P а о с. )80 в выпрямительном режиме.

Напряжение на преобразователе 7 изменяют до величины не более 7 „/2, так как при его работе в выпрямительном режиме сумма противо-ЭДС анодной группы вентилей инвертора 4 V A u управляемого преобразователя 7 V „ не должна превышать максимального напряжения на выходе роторного выпрямителя 3 — Ч 1„, а в инверторном режиме, для случая V = О, их алгебраическая сумма должна быть равна нулю, иначе в первом случае роторный вы- 40 прямитель 3 закрывается для прохождения через него тока, а во втором— ток будет протекать через вентили моста 3, не участвующие в коммутационном процессе. 45

Регулирование момента двигателя осуществляют следующим образом. Если сумма противо-ЭДС катодной группы вентилей инвертора 4 Ч„„ и управляемого преобразователя 7 V A áîëüøå напряжения на мостовом выпрямителе 5

V„, то весь ток I, проходит в цепь выпрямленного тока ротора (I =I ), о при этом ток в обмотках ротора, а значит, момент двигателя 1 максимальныe

Для уменьшения I<, т.е. ответвления части тока I стабилизатора б в о цепь управляемого преобразователя 7, необходимо, чтобы сумма этих противо-ЭДС была меньше Ч

Так как катодная группа вентилей инвертора 4 обеспечивает постоянную противо-ЭДС V „„„ 71р /2, для регулирования тока I „„ при V c V /2 преобразователь 7 работает в выпрямительном режиме.(r „ = Х „), причем обеспечивают выполнение условия V т ст

>7„„„- 7>„, а при Ч > 7»/2 пре" .образователь 7 работает в инверторном режиме (I „= I„„! и обеспечивают выполнение условия Ч VA„„+ V

Работая в соответствующем режиме и изменяя угол управления Р<, изменяют ток I<Ä, I» а значит момент двигателя

Для стабилизации величины момента

Ф поддерживают неизменным стабилизированный ток в обмотках ротора, т.е. при изменении скольжения S ротора двигателя !. Для этого в системе уп." равления электроприводом с контуром регулирования тока Х,! угол,„ измел няют так, чтобы ток I поддерживать постоянным, при этом управляемый преобразователь 7 переводится в режим обеспечивающий постоянство алгебраической суммы напряжений 7, V„ö„, стт

Чрп °

Для стабилизации частоты вращения двигателя на заданном уровне ток

I а значит, момент изменяют в соответствии с изменением момента нагрузки, Для этого в системе управления электроприводом с контуром регулирования скорости угол Р< изменяют так, чтобы изменение тока I „д обеспечивало требуемое изменение

Определим реактивную мощность, потребдяемую электроприводом из сети.

Выпрямленный ток стабилизатора 6 тока определяют как I = I где

0 . ди

I — выпрямленный ток ротора, при котором крутящий момент, развиваемый двигателем 1, номинальный, I- - постоянный коэффициент (ъ 1).

Ток управляемого преобразователя

7 °

Т„„=т,— Х = т „- т, (2).

Максимальные напряжения управляемоо го преобразователя 7 Ч, „и нерегули-. руемого инвертора 4 V выраженные через базовое напряжение Ч!, имеют вид о V н „ о

VSq 1 2 1 ни VdH(VHHA

14

Чиик г ) е (3) о yLV

1 где Ы, f — постоянные коэффициенты (oL — 1, ъ 1), Для схемы включения вентилей, как на фиг.1, oC = $ .

Тогда реактивная мошность, потребляемая преобразователем 7, с учетом (2) и (3): о

q >, = т„„ „вЫР - (т„„- х„1 °

» — "- 1" cos p

3 Чл

22 о (4)

Напряжение на анодной и катодной группах вентилей инвертора 4: о

= Upped Ч„„„cos „= соа я ° (5)

< Ч1н

Из. (1) и (5) следует, что ю(cosP„ в 1 °

Текущее значение напряжения управляемого преобразователя 7:

Ч„и Ча — Чния = Ч, » соа pli . (6)

Тогда из (4), сучетом (1), (3) и (6)з

Q -(Т - Т) - --«»

У Ч

30 ац d 2 (7)

Реактивная мощность, потребляемая катодной группой вентилей инвертора

4: — g sinai

Q - (+ i ) ---- - + -(— i ) г г а

20 д ча = ча1ча„, та = та1т,„, Относительное значение напряжения

Ча равно скольжению (V> = S) а тока

Та — относительному значению момента двигателя 1(Та = М) .

Кроме того, полагая, что момент нагрузки не превышает номинального, . принимается равным 1; полагая 11

= О, что возможно лишь теоретически, I из выражения (5) следует, что oL = 1, в значит = 1.

С учетом принятых условий из (11) удельная реактивная мощность, потребляемая электроприводом из сети, определяется выражением:

ЗО

Q = - (1 — M) Ql — (2S — 1) . (12)

76590 6

Так как стабилизатор 6 выполняется таким, что генерируемая им в сеть ре". активная мощность равна реактивной

5 мощности намагничивания, потребляемой двигателем 1 из сети, реактивная мощность, потребляемая из сети электроприводом в целом, определяется выражением (10).

Полагая базовым значением реактивной мощности Q „ = V>u I, из (10) выражение для удельной реактивной мощности Я = Я/<и, потребляемой электроприводом из сети, принимает вид: (8) 45

55 (10) о

Q „„„= Т . Ч„„„° si

=1I< in 8inp„, Реактивная мощность, потребляемая анодной группой вентилей инвертора

4: о . юС Vg<„

Q „„, - та U„«sing„= Z>

° si11 „. (9)

Реактивная мощность, потребляемая инвертором 4 и управляемым преобразователем 7, с учетом (7), (8) и (9):

Q = Ч„„. + Q + Q n= (та„+ та)

» Ъ»

ming> + (Хд — 1 )

ll Ча» и а г

Из выражения (12) следует, что электропривод при номинальной нагрузке (Й = 1) при любой частоте враще" ния (скольжении) реактивной мощности из сети не потребляет, т.е. Q(M =

1,S=,var)О.При$=0иS=1 электропривод при любой нагрузке так-.. же не потребляет реактивной мощности

Q (M = var, S = О и I) = О.

Расчетные зависимости Q как функции момента К для фиксированных значений скольжения в диапазоне от О до

1 представлены на фиг.З °

Из проведенного анализа потребления электроприводом реактивной мощ" ности следует, что при любом скольжении ротора рост момента нагрузки приводит к снижению потребления реактивной мощности, кроме того, при малых и больших скольжениях S при любом моменте нагрузки потребление реактив1476590 ной мощности незначительно (близко к О).

На фиг.4 представлены кривые рас" четных зависимостей Q от S для случаев подключения управляемого вентильного преобразователя параллельно мостовому выпрямителю стабилизатора тока (кривая а), параллельно роторно му мостовому выпрямителю (кривая б) и в предлагаемом электроприводе (кривая в) для Й = 0,: Из фиг. 4 видно, что потребление реактивной мощности предлагаемым электроприводом во всем диапазоне изменения скольжения ниже, чем в известных электроприводах.

Выполнение управляемого вентильного преобразователя в виде двух трехфаэных встречно-параллельно включен- 20 ных схем с нулевым выводом позволяет расширить диапазон регулирования крутящего момента без увеличения установленной мошности параметрического стабилизатора переменного тока. 25

При необходимости форсировки процессов (например, при разгоне и торможении) увеличивают величину момента выше номинального. При этом, чтобы не увеличивать установленную мощность 30 параметрического стабилизатора 6 тока, а значит величину тока I что приводит к увеличению массогабаритных показателей электропривода, увеличению потребляемой им реактивной мощности, вентили преобразователя 7, включенные согласно-параллельно выпрямителю 5, переводят в рабочий режим, а вентили встречно-параллельно включенной схемы — в нерабочий режим 40 (фиг.2), Уравнительные дроссели выполняют функцию токоограничения при переключении схем. Управление вентилями схем может быть согласованI

Hb1M (одновременным) или раздельным. 45

Выпрямленный ток I „суммируется с током I и протекает по цепи выпрямо ленного тока ротора Е . При этом ток в роторе, а значит момент, становится более номинального. При изменении угла yïðàâëåíèÿ о(вентилями от 90 до

0 ток Id изменяется от Е до 2Е, а его полнйй диапазон изменения от 0 до 2I

Потребление реактивной мощности управляемым преобразователем 7 в режиме выпрямления Я а то же, что и в режиме инвертора тока Q>„.

Таким образом, новое подключение мостовых выпрямителей, ведомого сетью инвертора и трехфазного управляемого вентильного преобразователя обеспечивает в сравнении с известным решением снижение потребляемой электроприводом реактивной мощности из сети переменного тока при любых значениях скольжения, Использование электропривода в электрооборудовании, требукщем регу" лирования момента и частоты вращения в широком диапазоне, снижает броски реактивной мощности при изменении нагрузки, уменьшает загрузку питающих сетей и силового энергетического обо- рудования реактивной мощностью и потери электроэнергии в них, снижает установленные мощности компенсирующих устройств.

Ф о р м у л а изобретения

Электропривод переменного тока, содержащий асинхронный двигатель с фазным ротором, обмотки статора кото." рого предназначены для подключения к сети переменного тока, выводы обмоток ротора подключены к входу первого мостового выпрямителя, второй мостовой выпрямитель, трехфазный вход которого соединен с выводами обмоток статора через параметрический стабилизатор переменного тока, ведомый сетью инвертор, трехфазный управляе мый вентильный преобразователь с выводом выпрямленного тока, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью умень" шения потерь электроэнергии путем снижения потребляемой реактивной мощности иэ сети переменного тока при любых значениях скольжения ротора двигателя, катодная группа вентилей первого мостового выпрямителя соединена с анодной группой вентилей ведомого сетью инвертора, катодная группа вентилей которого соединена с анодной группой вентилей второго мостового выпрямителя, при этом катодная группа вентилей второго мостового выпрямителя и анодная группа вентилей первого мостового выпрямителя объединены между собой и подключены к выводу выпрямленного тока трехфазного управляемого вентильного преобразователя, трехфазный выход которого соединен с соответствующими фазными выходами ведомого сетью инвертора, 1476590

1О

2. Электропривод по п.1, о т л и— ч а ю шийся тем, что трехфазный управляемый вентильный преобразователь выполнен по трехфазной схеме с нулевым выводом, образующим вывод выпрямленного тока указанного вентильного преобразователя, 3. Электропривод по п.1, о т л и—

| чающий ся тем, что, с целью 19 р асшир ения диапаз она регулирования крутящего момента без увеличения установленной мощности параметрического стабилизатора переменного тока, трехфазный управляемый вентильный преобразователь выполнен в виде двух трехфазных встречно-параллельно включенных схем с нулевым выводом, образующим вывод выпрямленного тока указанного управляемого вентильного преобразователя, 1476590

0,2

OP gE Дд 1

Фиг. Ф

Составитель А.Жилин

Техред М.Холанич Корректор Э.Лончакова

Редактор М.Бандура

Заказ 2166/55 Тираж 551 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,101