Надсинхронный вентильный каскад

 

Использование: в регулируемом электроприводе переменного тока различных механизмов, турбомеханизмов. Сущность: в надсинхронном вентильном каскаде устройство 5 принудительной коммутации роторного тиристорного моста 6-11 выполнено в виде однофазных трехобмоточных насыщающих трансформаторов. Первые его обмотки 19-21 подключены к фазам сети с обратным чередованием фаз по отношению к обмоткам статора асинхронного двигателя 1, включенным в ту же сеть. Вторичные обмотки 2-4 трансформаторов включены между выводами обмотки ротора двигателя и выводами переменного тока роторного тиристорного моста 6-11. Обмотки 31 и 32 соединены в звезду и свободными выводами подключены к диодному мосту 30, шунтированному тиристором 29, управляемым сигналом делителя частоты 24. В результате при надсинхронной скорости вращения коммутация роторного моста осуществляется за счет частичного использования энергии естественной коммутации сетевого тиристорного моста 13-18, исключая перенапряжения. Следовательно, упростилась схема управления за счет исключения средств ограничения перенапряжений. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к регулируемым электроприводам переменного тока с фазным асинхронным двигателем.

Обычный асинхронный вентильный каскад широко применяется для привода и регулирования частоты вращения различных механизмов и, в первую очередь, трубомеханизмов.

С целью получения частот вращения не только ниже, но и выше синхронной применяют так называемый надсинхронный вентильный каскад.

Надсинхронный каскад в своей силовой части содержит, как и классический асинхронный каскад, два преобразователя: роторный блок в виде тиристорного выпрямителя (обычно мостового), подключенный входом переменного тока к кольцам ротора двигателя, и сетевой блок в виде тиристорного инвертора (также мостового), подключенный выводами переменного тока через согласующий трансформатор или непосредственно к питающей сети, а выводами постоянного тока соединенный через сглаживающий дроссель с соответствующими выводами роторного блока.

Таким образом, отличие силовых цепей надсинхронного каскада от асинхронного заключается в замене диодного выпрямителя в цепи ротора тиристорным, т. е. управляемым выпрямителем.

Надсинхронные вентильные каскады описаны, например, в книге Онищенко Г. Б. Локтевой И.Л. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания [1, 2] Одной из наиболее сложных проблем в реализации надсинхронного каскада является проблема перехода двигателя через синхронную частоту вращения, при которой ЭДС ротора равна нулю и естественная коммутация тиристора роторного выпрямителя невозможна.

По этой причине в большинстве известных схем надсинхронного вентильного каскада перевод двигателя на частоту вращения выше синхронной осуществляется путем принудительной коммутации тиристоров роторного блока. При этом сетевой блок тиристоров переводится в выпрямительный режим, а роторный блок в инверторный. Используются два метода принудительной коммутации роторного блока. Первый метод заключается в кратковременном прерывании тока ротора путем перевода сетевого блока в режим глубокого инвертирования, т.е. в режим с максимальной противоЭДС инвертора.

Его достоинство простота реализации.

Недостаток повышение пульсации момента двигателя, т.к. при прерывании тока роторного блока момент двигателя также стремится к нулю. Устранить этот недостаток можно лишь существенным усложнением схемы, что сводит на нет преимущества метода.

Второй метод заключается в принудительной коммутации тиристоров роторного блока путем использования индивидуальной (на каждый тиристор) или групповой искусственной коммутации, либо путем использования запираемых тиристоров в мосте роторного блока.

Недостаток этого метода существенное усложнение схемы за счет устройств принудительной коммутации. Применение запираемых тиристоров несколько упрощают схему, однако перенапряжения, возникающие при коммутации тока в индуктивностях роторной обмотки, требуют установки устройств защиты от перенапряжений, существенно усложняющих схему.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является надсинхронный вентильный каскад [3] Данное решение принято в качестве прототипа.

На фиг.1 показан каскад-прототип.

Каскад-прототип содержит подключенный статорными обмотками к питающей сети асинхронный двигатель 1 с фазным ротором, к контактным кольцам которого присоединен роторный тиристорный мост 2, снабженный устройством принудительной коммутации 3 и связанный через фильтровый дроссель 4 с соответствующими выводами постоянного тока сетевого тиристорного моста 5, соединенного выводами переменного тока через согласующий трансформатор 6 с питающей сетью переменного тока. Микропроцессорная система управления 7 содержит в своем составе систему импульсно-фазового управления сетевым тиристорным мостом, обеспечивающую управление напряжением этого моста, систему управления роторным мостом, обеспечивающую его работу в выпрямительном и инверторном режимах, и собственно микропроцессор, обеспечивающий необходимый закон регулирования, т.е. уменьшение от максимальной до нуля противоЭДС сетевого моста при частотах вращения ниже синхронной, а затем принудительную коммутацию роторного моста при надсинхронной частоте вращения. Заметим, что все элементы микропроцессорной системы (кроме выходов системы импульсно-фазового управления сетевым мостом и системы управления тиристорами роторного моста) реализованы программно. Для простоты все элементы системы управления объединены в общий блок 7. Устройство принудительной коммутации 3 выполнено по широко известной схеме с отсекающими диодами.

Отмечено, что могут быть использованы запираемые тиристоры, что избавляет от необходимости установки отсекающих диодов и коммутирующих конденсаторов, однако требует защиты от перенапряжений, что несколько усложняет и удорожает установку в целом.

Таким образом, недостатком прототипа является сложность силовой части роторного преобразователя (моста).

Целью изобретения является упрощение надсинхронного вентильного каскада.

Для достижения поставленной цели в надсинхронном вентильном каскаде, содержащем асинхронный двигатель с фазным ротором, роторный тиристорный мост, снабженный устройством индивидуальной принудительной коммутации тиристоров, сетевой тиристорный мост, соединенный через сглаживающий дроссель с соответствующими выводами постоянного тока роторного моста, а также систему импульсно-фазового управления сетевым тиристорным мостом и систему управления частотой вращения двигателя, в состав которой входит цифровой задатчик скольжения, одним из выходов через цифроаналоговый преобразователь соединенный с управляющим входом системы импульсно-фазового управления, основной выход которой связан с управляющими входами сетевого тиристорного моста, делитель частоты, кодовый вход которого связан с вторым выходом упомянутого задатчика скольжения, выход подключен к входу первого из двух формирователя импульсов, выход которого подключен к управляющим электродам тиристоров роторного моста, второй формирователь импульсов, связанный выходом с управляющими входами четырех ключей, один из которых через развязывающие диоды объединяет общие аноды тиристоров анодной группы роторного моста с управляющими электродами, а три других ключа включены между анодами и управляющими электродами тиристоров катодной группы роторного моста, причем вход второго формирователя импульсов подключен к выходу нуль-органа, вход которого связан с кнопкой пуска привода и через отсекающий диод подключен к общим катодам роторного моста, упомянутое устройство принудительной коммутации выполнено в виде трех однофазных трехобмоточных насыщающихся трансформаторов, первичные обмотки которых подключены началами к питающей сети с обратным чередованием фаз, по отношению к подключенным в ту же сеть выводам статорной обмотки двигателя, а концы подключены к выводам переменного тока сетевого тиристорного моста, вторичные обмотки подключены началами к кольцам ротора двигателя, а концами к выводам переменного тока роторного тиристорного моста, третьи обмотки упомянутых трансформаторов соединены в звезду и подключены свободными концами к входам диодного моста, выводы постоянного тока которого подключены плюсом к аноду и минусом к катоду шунтирующего тиристора, анод которого через ключ связан с управляющим электродом, а управляющий вход ключа через логический инвертор подключен к выходу упомянутого делителя частоты, второй вход которого соединен с вспомогательным выходом упомянутой системы импульсно-фазового управления.

Сопоставительный анализ прототипа с предлагаемым устройством показывает, что последнее отличается наличием однофазных трехобмоточных насыщающихся трансформаторов, первичные обмотки которых включены между фазами питающей сети переменного тока и соответствующими выводами сетевого тиристорного моста, вторичные обмотки включены между кольцами ротора и соответствующими выводами роторного тиристорного моста, а третьи обмотки соединены в звезду и свободными концами через диодный мост подключены к шунтирующему тиристору.

На фиг.2 показан предлагаемый каскад.

Каскад содержит трехфазный асинхронный двигатель 1 с фазным ротором, подключенный выводами статорной обмотки к питающей сети переменного тока и выводами роторной обмотки через контактные кольца к началам вторичных обмоток 2-4 однофазных насыщающихся трансформаторов 5, концы которых соединены с выводами переменного тока роторного тиристорного моста 6-11. Выводы постоянного тока упомянутого моста через сглаживающий дроссель 12 соединены с соответствующими выводами постоянного тока сетевого тиристорного моста 13-18, подключенного выводами переменного тока к концам первичных обмоток 19-21 насыщающихся трансформаторов 5, начала которых подключены к питающей сети переменного тока с обратным чередованием фаз по сравнению с подключением статорной обмотки двигателя 1.

Таким образом, силовая часть предлагаемого устройства представляет собой широко известный асинхронный вентильный каскад с управляемым роторным мостом. Дополнительными элементами являются лишь трехобмоточные однофазные насыщающиеся трансформаторы, первичные обмотки которых включены с обратным чередованием фаз по отношению к статорной обмотке двигателя.

Система управления частотой вращения содержит цифровой задатчик частоты скольжения 22, соединенный одним из выходов с входов цифроаналогового преобразователя 23, а вторым выходом с кодовым входом делителя частоты 24. Выход преобразователя 23 подключен к входу системы импульсно-фазового управления 25 сетевым тиристорным мостом. Основной выход системы 25 подключен к управляющим входам тиристоров 13-18 сетевого моста, а дополнительный выход подключен к второму входу делителя частоты 24. Выход делителя частоты 24 через формирователь 26 связан с управляющими входами тиристоров 6-11 роторного моста, а через логический инвертор 27 с ключом 28, включенным между анодом и управляющим электродом тиристора 29, шунтирующего выводы постоянного тока диодного моста 30, подключенного выводами переменного тока к концам соединенных в звезду третьих обмоток 31-33 насыщающихся трансформаторов 5. Выход нуль-органа 34 через формирователь 35 соединен с управляющими входами ключей 36-38, включенных между анодами и управляющими электродами тиристоров 7-11, и с управляющим входом ключа 39, включенного между общими анодами и, через развязывающие диоды 40-42, управляющими электродами тиристоров 6-10. Вход нуль-органа 34 через отсекающий диод 43 подключен к общим катодам тиристоров роторного моста 6-11 и кнопке 44.

Предлагаемый каскад работает следующим образом.

Подключение привода к сети осуществления нажатием кнопки 44. Коммутационные препараты, осуществляющие своими контактами подключение к сети, не показаны. При замыкании кнопки 44 подается напряжение на вход нуль-органа 34, включается формирователь 35 и его выходным сигналом ключи 36-39 соединяют аноды тиристоров 6-11 роторного моста с управляющими электродами, что делает тиристорный роторный мост эквивалентным диодному выпрямителю.

Поскольку двигатель 1 еще неподвижен, ЭДС скольжения максимальна и нуль-орган 34 через диод 43 "блокируется" этой ЭДС, т.е. остается включенным и после отпускания кнопки 44. Управление приводом осуществляется с помощью задатчика частоты скольжения 22, на первом выходе которого, связанном с преобразователем 23, в исходном состоянии установлен код максимального скольжения (т.е. единица), а на втором выходе нуль. Код первого выхода упомянутого задатчика 22 преобразуется в управляющее напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя 23, которое, поступая на вход системы импульсно-фазового управления, определяет угол включения α тиристоров 13-18 сетевого моста. В исходном состоянии, т.е. до пуска привода, этот угол имеет максимальное значение (обычно a_макс 150-160 эл. град.).

На выходе делителя частоты 24 импульсы в это время отсутствуют, так как на его кодовом входе сигнал равен нулю. По этой причине сигнал на выходе инвертора 27 равен логической единице, ключ 28 замкнут, тиристор 29 отперт и шунтирует выход моста 30, обеспечивая закорачивание обмоток 31-33 насыщающихся трансформаторов 5. Поскольку хорошая магнитная связь между тремя обмотками каждого из трансформаторов обеспечивается железными сердечниками, закорачивание обмотки 31-33 практически эквивалентно закорачиванию и других обмоток (2-4 и 19-21). Значит в исходном состоянии привода насыщающиеся трансформаторы в процессах коммутации сетевого и роторного мостов не участвуют.

Задание приводу нужной частоты вращения осуществляют задатчиком 22, уменьшая код скольжения. При уменьшении кода скольжения от единицы до 0,1-0,05 угол управления сетевым мостом уменьшается до α ≈ π/2,, т.е. уменьшается до нуля ЭДС инвертора и соответственно увеличивается частота вращения двигателя 1.

Таким образом, в диапазоне скольжений ≈ (1-0,1) предлагаемое устройство работает как "классический" асинхронный вентильный каскад с неуправляемым (диодным) роторным выпрямителем.

Дальнейшее уменьшение заданного скольжения с помощью задатчика 22 приводит, во-первых, к переводу сетевого моста в выпрямительный режим (с близким к нулю напряжением), во-вторых, при малой ЭДС скольжения выключается нуль-орган 34, отключается формирователь 35 и запираются ключи 36-39. Остаются включенными два, проводившие в этот момент ток, тиристора роторного моста. По соответствующим обмоткам ротора течет постоянный ток, и двигатель 1 входит в синхронизм (скольжение равно нулю).

Перевод привода на сверхсинхронную скорость осуществляется следующим образом. Задатчиком 22 задают "отрицательное скольжение" (меньше нуля). При этом выпрямленное напряжение сетевого блока увеличивается, а на втором выходе задатчика 22 появляется код отрицательного скольжения, что приводит к следующим переключениям в схеме: в соответствии с кодом скольжения делитель частоты 24 обеспечивает коэффициент деления импульсов, проходящих с вспомогательного выхода системы 25 на формирователь 26 и логический инвертор 27. В результате одновременно с появлением управляющих импульсов на соответствующих тиристорах 6-11 роторного моста исчезают импульсы управления на ключе 28, раскорачивается диодный мост 30, и коммутирующая ЭДС из первичных обмоток 19-21 трансформируется в соответствующие вторичные обмотки 2-4 трансформаторов 5, обеспечивая коммутацию тиристоров роторного моста и коммутацию тока в обмотках ротора с чередованием фаз, обратным по отношению к обмоткам статора. Двигатель переходит на сверхсинхронную частоту вращения, а отсекающий диод 43 не пропускает на вход нуль-органа 34 отрицательную полярность напряжения на роторном блоке.

Для успешной коммутации тиристоров роторного моста, который на сверхсинхронной скорости привода работает в инверторном режиме, должны выполняться следующие условия.

1. Коммутация ротора должна осуществляться с заданной частотой "отрицательного" скольжения в моменты времени, совпадающие с моментами тока в соответствующих фазах сетевого моста. Это требование обеспечивается совпадением во времени импульсов, поступающих с формирователя 26 на управляющие входы тиристоров 6-11 роторного моста, и импульсов, поступающих на вход инвертора 27 и "размыкающих" ключ 28, т.е. обеспечивающих трансформацию коммутирующей ЭДС в обмотки 2-4 коммутирующих трансформаторов.

2. Время насыщения трансформаторов 5 должно быть больше времени, необходимого для коммутации тока в фазных обмотках ротора, что обеспечивается параметрами трансформаторов (заданным произведением числа витков первичных обмоток 19-21 на сечение железа трансформаторов).

3. Коэффициент трансформации от первичных обмоток 19-21 к вторичным 2-4 должен быть меньше единицы, чтобы ток нагрузки первичной обмотки плюс ток намагничивания были не меньше приведенного тока вторичных обмотки 2-4 (иначе поток намагничивания и ЭДС трансформаторов будут равны нулю).

4. Коммутация тока в фазных обмотках ротора, т.е. коммутация тиристоров 6-11 должна осуществляться при определенном дискретном ряде частот, чтобы обеспечивалось коммутирующее напряжение соответствующей полярности.

Рассмотрим подробнее, при каких заданных частотах скольжения (на сверхсинхронной скорости) и соответственно в каком диапазоне частот вращения двигателя обеспечивается выполнение четвертого условия.

На фиг.3 показаны поясняющая схема и диаграммы коммутационных процессов в упрощенном "однофазном" исполнении сетевого и роторного блоков.

Сетевой мост содержит тиристорный мост 1-4, подключенный к сети через первичные обмотки 5 насыщающегося трансформатора, а роторный мост содержит тиристоры 6-9, подключен к "ротору" через вторичные обмотки 10 насыщающегося трансформатора и соединен с сетевым через сглаживающий дроссель 11.

Как и в предлагаемой схеме фиг. 2, коммутация роторного блока моста (инвертора) осуществляется под действием коммутационного напряжения U_k (см. диаграмму фиг. 3) во вторичной обмотке 11, появляющегося при коммутации сетевого моста (выпрямителя).

Из рассмотрения диаграммы видно, что частота коммутаций тока i₂ в роторном мосте может принимать только следующие дискретные значения: f₂ f₁; f₂ f₁/3; f₂ f₁/5; f₂ f₁/7; Нетрудно показать, что в трехфазном варианте, т.е. в предлагаемой схеме, возможен ряд частот f₂ f₁/4; f₂ f₁/7; f₂ f₁/10; f₂ f₁/13; В общем случае для "m"-фазного преобразователя f₂ f₁(mK + 1), где K 0, 1 2, Отсюда следует, что для увеличения частоты вращения двигателя в режиме "надсинхронной скорости" заданная частота скольжения на выходе задатчика частоты 22 (фиг. 2) должна принимать, например, следующие (отрицательные) значения: 50/13; 50/10; 50/7; или, при кодировании в относительных единицах, 1/13; 1/10; 1/7;1.

Таким образом, частота вращения двигателя по предлагаемой схеме может быть в принципе увеличена до двойной от синхронной.

Традиционная область использования асинхронного вентильного каскада - турбомеханизмы, где характерна кубичная зависимость мощности от частоты вращения, поэтому практически вряд ли целесообразно увеличение скорости вверх от синхронной более, чем на (10-15)% В этом диапазоне предлагаемая схема дает достаточно малые дискреты частот вращения, поэтому дискретность регулирования скорости "вверх", не является существенным недостатком и не препятствует синхронизации при переходе на очередную ступень.

Заметим также, что единственный дополнительный элемент в силовой схеме - насыщающиеся трансформаторы имеет наибольшие габариты благодаря малому времени насыщения (только время коммутации), вспомогательная третья обмотка трансформаторов и закорачивающий ее блок диодный мост плюс тиристор несут малую тепловую нагрузку, т.к. ток в них имеет импульсный характер.

В тех случаях, когда требуемый диапазон регулирования вниз и вверх от синхронной частоты вращения ограничен, между сетевым мостом и питающей сетью целесообразно включать согласующий трансформатор, типовая мощность которого составит (в долях) половину диапазона регулирования. Например, при общем диапазоне 0,5, т.е. при регулировании "вверх" и "вниз" на 25% типовая мощность трансформатора равна примерно 25% мощности привода. Установка согласующего трансформатора целесообразно также, если коэффициент трансформации между статорной и роторной обмотками двигателя много меньше единицы.

В предлагаемом устройстве принудительная (искусственная) коммутация роторного выпрямительного моста при работе привода на "надсинхронной" скорости осуществляется за счет частичного использования с помощью насыщающихся трансформаторов энергии естественной коммутации сетевого тиристорного моста, что позволило исключить перенапряжения при коммутации, упразднить средства их ограничения и таким образом существенно упростить схему в целом и повысить надежность привода.

Формула изобретения

Надсинхронный вентильный каскад, содержащий асинхронный двигатель с фазным ротором, роторный тиристорный мост, снабженный устройством индивидуальной принудительной коммутации тиристоров, сетевой тиристорный мост, соединенный через сглаживающий дроссель с соответствующими выводами постоянного тока роторного моста, а также систему импульсно-фазового управления сетевым тиристорным мостом и систему управления частотой вращения двигателя, в состав которой входит цифровой задатчик частоты скольжения, один из выходов которого через цифроаналоговый преобразователь соединен с управляющим входом системы импульсно-фазового управления, основной выход которой связан с управляющими входами сетевого тиристорного моста, делитель частоты, кодовый вход которого связан с вторым выходом упомянутого задатчика частоты скольжения, выход подключен к входу первого из двух формирователей импульсов, выход которого подключен к управляющим электродам тиристоров роторного тиристорного моста, второй формирователь импульсов, связанный выходом с управляющими входами четырех ключей, один из которых через развязывающие диоды объединяет общие аноды тиристоров анодной группы роторного моста с управляющими электродами, а три других ключа включены между анодами и управляющими электродами тиристоров катодной группы роторного моста, причем вход второго формирователя импульсов подключен к выходу нуль-органа, вход которого связан с кнопкой пуска привода и через отсекающий диод подключен к общим катодам тиристоров катодной группы роторного моста, отличающийся тем, что упомянутое устройство принудительной коммутации выполнено в виде трех однофазных трехобмоточных насыщающихся трансформаторов, первичные обмотки которых подключены началами к питающей сети с обратным чередованием фаз по отношению к подключенным в ту же сеть выводам статорной обмотки двигателя, а концы подключены к выводам переменного тока сетевого тиристорного моста, вторичные обмотки подключены началами к кольцам ротора двигателя, а концами - к выводам переменного тока роторного тиристорного моста, третьи обмотки упомянутых трансформаторов соединены в звезду и подключены свободными концами к входам диодного моста, выводы постоянного тока которого подключены плюсом к аноду и минусом к катоду шунтирующего тиристора, анод которого через дополнительный ключ связан с управляющим электродом, а управляющий вход этого ключа через логический инвертор подключен к выходу упомянутого делителя частоты, второй вход которого соединен со вспомогательным выходом системы импульсно-фазового управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3