Электропривод

 

Использование: синхронный частотноуправляемый 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 Н 02 P 7/36

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ к лвтогСкоь В СвидятеяьСТЮ (21) 4936021/07 (22) 12.05.91 (46) 23.05.93. Бюл. М 19 (75) В.А. Фокин и О.В. Фокин (56) 1. С.А. Анисимов. Неравномерность вращения асинхронного двигателя при питании от инвертора с широтно-импульсным регулированием. Иваново, Тезисы докладов юбилейной научно-технической конференции, 1980, с. 146.

2. В.И. Радин, Д.З. Брускин и др. Электрические машины. М.: Высшая школа, 1988, с. 91-97.

3. Kumar B.S. и др. Трехфазный регулируемый инвертор тока. IEEE Trans,hand. Appl.

1989, hb 3, с. 419-126. . 4. Э.М. Чехет и др. Непосредственные преобразователи частоты для электропривода, Киев, "Наукова думка". 1988, с. 30, рис.

13, 5. Авторское свидетельство СССР

М 1642578, кл. Н 02 P 7/36, 1991.

6. Г.И. Атабеков. Основы теории цепей, М,: 3нергия, 1968, с. 201, рис 13 7

„„5U„„1817221 А1

{54) ЗЛЕКТРОПРИВОД (57) Использование: синхронный частотноуправляемый 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 полностьа управляемых полупроводниковых ключах

6-11, - уп равляемый асин хронн ый дви гатель 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 Б входу переменного тока диодного моста 2, нагруженного на стороне постоянного тока конденсатором 23. Первичная обмотка 20 трансформатора 21 эашунтироаана трехфазным полностью управляемым полупроводниковым ключом 24. 2 ил.!,1зобретение относитсл к электротехни- — длл фазы A. 4 иг. 2д — длл фазы Б, фиг. 2е ке, асинхронному частотно-управллемому — длл фазы С статорной обмотки 13. электроприводу на основе использованил Основная идел данногозлектропривода инвертора. может быть реализована при таких различЦелью изобретения является улучше- 5 ных алгоритмах работы инвертора, в катание энергетических показателей при расши- рых и редусмат рива ются интервалы рвнии диапазона регулированил частоты отключенного от источника состояния ставращения. торной обмотки, соответствующие одно!!а фиг. 1 представлена принципиэль- именные выводы которой при этом кал схема электропривода; нэ фиг. 2 изобра- "0 закорачиваются. Для большей ясности ранены как эпюры переключения полностью бота электропривода описывается на приуправляемых ключей инвертора, так вре- мере простейшего алгоритма работы менные диаграммы напряжений на отдель- инвертора. рассчитанного на использованыхфазахстаторнойобмоткиуправллемого ние широтного метода однократного регуасинхронного двигателя, 15 лирования выходного напряжения

Электропривод содержит основной ис- изменяемой частоты. точник энергии 1 постоянного тока, допол- Последовательность работы элементов нительный источник энергии постоянного данного электропривода и характер проистока 2 в виде диодного мостового выпрями- ходящих электромагнитных процессов аптеля, к выходным выводам 3, 4 последова- 20 ределлется алгоритмом работы его тельного соедийепия которйх присоединен полностью управляемых полупроводникоинвертор 5 в виде полностью управляемых вых ключей, задаваемым системой управлеполупроводниховыхключей 6 — 11,управлле- нил злектропривода, содержащей мый асинхронный двигатель 12, статорнал генератор регулируемой частоты 25 с пилообмотка которого 13 одной группой своих 25 образным напря>кением на выходе, сигналы одноименных выводов 14, 15, 16 присоеди- которого подаютсл на вход циклического нека к выходу инвертора 5, между тем как распределителя импульсов 26, выполняюдругая группа одноименных выводов 17, 18, щему операцию деления числа импульсов.

19 статорной обмотки 13 присоединена к Сигналы с отдельных выходов циклического первичкой обмотке 20. трансформатора 21, 30 распределителя импульсов подаютсл на совторичная обмотка 22 которого присоедине- ответствующие ячейки блока формирования на к входу переменного тока диодного мос- и усиления импульсов 27, куда поступают та 2, нагруженного на стороне постоянного также сигналы от фазосдвигающего устройтокэ конденсатором 23, присоединенная к ствэ 28, определял соответствующиеинтеродкоименн выводам 17, 18, 19 статорной 35 валы откл очекного от источника состояния обмотки 13 первичная обмотка 20трансфор- статорной обмотки. Продолжительность матора 21 зашунтирована также трехфаз- этих интервалов может корректироваться ным полностью управляемым такжесигналэмиотдэтчикафактическойчаполупроводниковым ключом 24. Описанные статы вращения 29, наличие которогосвидеэлементы силовой части предлагаемого уст- 40 тельствует о замкнутом характере этой ройства дополнены также соответствующей системы управления. системой управленил, в состав которой вхо- Об используемом при описании электдит генератор регулируемой частоты 25, роприводапростейшемалгоритмепереклюциклический распределитель импульсов 26, чения его полностью управляемых усилитель — формирователь импульсов 27, 45 полупроводниковых ключей можно судить фазосдвигэющее устройство 28, а также кэк по приведенным на фиг.2 эпюрам передатчик фактической частоты вращения 29. ключения этих. ключей и соответствующим

На фиг. 2а приведена временная диаг- временным диаграммам напряжений на отрамма коммутации однофазных ключей 8, дельныx фазах статорной обмотки, так и по

11, подключающих зажим 16 фазы А статор- 50 таблице, где представлена та же информакой обмотки к положительному 3 или отри- ция для каждого из входящих в цикл перецательному 4 выводам источника энергии; ключений двенадцати интервалов. на фиг. 2б приведена соответствующая ди- Поэтому описание работы данного элекаграмма переключения ключей 7, 10для фа- тропривода увязывается с дакными таблизы В статорной обмотки, а на фиг, 2в — 55 цы в соответствующий интервал времени и ключей 6, 9 для фазы С этой обмотки. Этим с приведенными на фиг. 2 эпюрами и вреэпюрам переключения полностью упрэвля- менными диаграммами. Первый интервал

GMblx однофазных ключей соответствуют работы характеризуется включекным состовременные диаграммы напряжений фиг, 2f янием однофазных ключей 7, 8. 9 и трехфазного ключа 24, что соответствует

1817221

55 о присоединению вывода 16 фазы А статоДной обмотки 13 двигателя к положительному выводу 3 комбинированного источника энергии, а выводов 14, 15 фаз С и В статорной обмотки —. к отрицательному выводу 4 дополкительного источника 2, а нулевая точка соединения звездой статорной обмотки 13 образуется при этом объединением выводов 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 6; 8, 10, а трехфазный 24- отключен; 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 и рисоединение выводов 15, 16 фаз В и А статоркой обмотки к положительному выводу 3 источкика, а вывод 14 фазы С обмотки — к отрицательному оь ооду 4 комбинированного источника1,2, причемдругие выводы17,18, 19 статорной обмотки обьединены трехфазным ключом 24, чему соответствует закороченное состояние первичной обмотки 20 трансформатора 21; из фиг, 2 следует, что при этом напряжение на фазе С статоркой обмотки превышает в два раза напряжения на фазах А, В этой обмотки. В четвертый . интервал времени в соответствии с таблицей повторяется ситуация второго интерва- ла времени и потому будут аналогичными электромагнитные процессы.

Согласнотаблице о пятый интервал времени включены однофазныа ключи 9, tO, 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  — к положительному выводу 3 источника, вследствие чего к фазам А; С статорной обмотки приложено в два раза меньшее напряжение 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 электромагнитные процессы в элементах электропривода.

Согласно таблице седьмой интервал времени характеризуется включенным состоянием как однофазных 10, 11, 6, так и трехфазного 24 ключей, чему соответствует присоединение фазы А обмотки статора к отрицателькому полюсу 4 источника, а фаз

В, С вЂ” к его положительному источнику. В этот интервал времени ситуация напоминает 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.

2 также для третьего и девятого или для пятого и одиннадцатого интервалов времени выбранного алгоритма переключения однофазных и трехфазного полностью управляемых полупроводниковых ключей электропривода. После двенадцатого интервала времени следует включение ключей

7, 8, 9, 24 как и в первом интервале, далее процессы повторяются. Приведенное описание работы электропривода, реализующего известный способ управления, иллюстрируется диаграммами фиг. 2, Из диаграмм переключения фиг. 2а, фиг.

2б и фиг. 2о следует, что интервалы включенного состояния различного сочетания указанных там однофазных ключей чередуются с интервалами отключенного состояния двигателя от автономного источника энергии, когда одноименные выводы 14, 15, t6 статорной обмотки закорачиваются однофазными ключами 6, 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 часть их периода повторения; в) использование широтного метода независимого регулирования величины напряжения каждой фазы статорной обмотки, характеризуемого чередованием ступеней этого напряжения различной величины и знака с интервалами нулевой величины напряжения регулируемой продолжительности. Нет необходимости останавливаться подробно на электромагнитных процессах о управляемом двигателе и о иноерторе 5, связанных с

1817221 поочередньнл подключением трех фэз лучей звезды статорной обмотки к источнику энергии — они общеизвестны.

Рассмотрим особенности электромагнитных процессов в управляемом асинхронном двигателе,.которое обусловлено введением в схему дополнительных элементов — трансформатора 21, диодного моста 2 . с конденсатором 23 нэ 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 инверторэ в качестве источника энергии регулируемой частоты. Благодаря перечисленным дополнительным элементам данный электропривод лучше извест- ных выполняет роль низкочастотного фильтра, что связано: а) с циклическим увеличением ийдуктивности в-цепи статорной . обмотки по мере увеличения напряжения нэ . 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 стэторной обмотки происходит в те интервалы времени, когда этэ 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 полупроводниковых 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 rn этого минимальное значение входной индуктивности трансформатора 21 относительно первичной обмотки 20 в момент размыкания трехфазного ключа 24 и связанный с этим минимальный скачок на5 пряжения на размыкаемом ключе 24, что обусловлено так называемыми некорректными начальными условиями переходного процесса 6: г) сочетание существенного улучшения фильтрующих свойств цепи ста10 торной обмотки вследствие циклического увеличения результирующей индуктивности в ней с существенным ограничением перенапряжений на размыкаемом ключе 24; д) улучшение энергетических показателей

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

Циклически повторяемое увеличение

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

25 даже в йижней части диапазона регулирования частоты вращения двигателя без перехода на многократное ШИР, что обусловит; а) относительное уменьшение коммутационных потерь в инверторе; б) возможность ис30 пользования тиристоров вместо силовых транзисторов в качестве элементов полно стью управляемых ключей инвертора; в) связанное с этим существенное увеличение мощности асинхронного частотно-управля35 емого электропривода; r) существенное уменьшение колебаний электромагнитного момента и частоты вращения двигателя, особенно в нижней части частотного диапазона, что способствует расширению вниз

40 этого диапазона регулирования частоты вращения, Формула изобретения

Электропривод, содержащий асинхрон45 ный трехфазный электродвигатель, трехфазный электродвигатель, трехфазный мостовой инвертор, выполненный на полностью управляемых полупроводниковых ключах, один из входных выводов постоянного

50 тока которого подключен к одному из зажи. мов источника постоянного тока, выводы переменного тока инвертора пофазно соединены с одними выводами статорной обмотки электродвигателя, полностью уп55 равляемый трехфазный полупроводниковый ключ, о т л и ч э ю шийся тем, что, с целью улучшения энергетических показателей при расширении диапазона регулирования частоты вращения, введены трехфазный

1817221

10 диодный мост с параллельно включенным конденсатором на стороне постоянного тока, трехфазный трансформатор, выводы первичной обмотки которого подключены к . другим выводам статорной обмотки и к пер- 5 вой группе выводов полностью управляемого полупроводникового ключа, вторая группа выводов которого обьединена, 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.