Тиристорный импульсный преобразователь для управления двигателем постоянного тока

 

О НИЕ

ИЗОБРЕТЕН Ия

Союз Советскнн

Соцмалисткческик

Республик (! 1) 692045

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61 ) Допол н н тел ьное к а вт. с вид- ву (5l)M. Кл.

Н 02 Р 5/06

Н 02 М 3/135 (22) Заявлено 27, 05,77 (21) 2491020/24-07 с присоединением заявки М

Гесударстаенный кемнтет

СССР в делам юобратеннй н еткрытнй (23) Приоритет (53) УЛФ(621.316. .727 (088.8) Опубликовано 15.10,7 9, Б юллетень М 38

Дата опубликования описания 18,10,79

Ю П. Гончаров, Н. В. Панасенко, Н. А. Тимченко, 10. П. Сердюков, Н. Д. Вирченко> Е, С. Гапчинский и В, С. Никулин (72) Авторы изобретения

Харьковский ордена Ленина политехнический институт имени В. И.,Ленина и Специальное конструкторское бюро

Харьковского ордена Знак почета" завода Электромашина" (7> ) Заявители (54) ТИРИСТОРНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО

;; ТОКА

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение при импульсном управлении двигателем постоянного тока на транспорте, в электротех- . нической и других отраслях промышленности.

Известна схема тиристорного импульсного преобразователя постоянного напряжения, которая содержит источник питания, нагрузку, силовой тнристор с узлом .

10 последовательной коммутации, в который входит линейный токоограничивающий реактор (1),. Эта схема пригодна только .для односторонней передачи энергии от источника к нагрузке, что ограничивает область ее применения, и имеет низкий

КПЯ из-за потерь энергии в токоограни-.нвающем реакторе за счет протекания на-, трузочного тока.

Известна также управляющая схема постоянного тока, содержащая источник питания, двигатель постоянного тока, силовой тирнстор, обратный диод, шунтирую щий двигатель, узел последовательной ком2 мутации, в который входит токоограничивающнй реактор (2 ). Эта схема пригод-, на для управления двигателем только в режиме разгона. В режиме торможения управление двигателем невозможно, так как схема не обладает возможностью передачи энергии от двигателя в источник либо в топмозной реостат.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является преобразователь постоянного тока, который содер- ° жит линейный токоограничивающий реактор с возвратным диодом, основной тирнстор, шунтированный обратным диодом, нагрузку, шунтированную обратным диодом, разделительный диод, вспомогательный тирнстор, коммутирующий LC -контур (3).

Этот преобразователь обладает односторонней передачей энергии от источника i неузка и повышенными потерями энерт ии в токоограничивающем реакторе, что обусловлено следующим. После коммутации первичная обмотка реактора обесточн3 69 вается и источнику питания возвращается не только та относительно небольшая энер гия магнитного поля, которая была запасена в коммутационном интервале, но и значительно большая энергия, запасенная при протекании нагрузочного тока. После очередного включения основного тиристора эта энергия вновь запасается в магнитном поле, 0иркуляция больших колиI ,честв энергии приводит к возрастанию ,действующего напряжения на обмотках и действующего тока во вторичной обмотке, а это увеличивает потери энергии. Конечное значение индуктивности линейного реактора создает также дополнительную токовую нагрузку на узел принудительной коммутации, что требует увеличения массы его элементов и ведет к дополнительным потерям, понижает надежность устройства и его КПД.

Кель настоящего изобретения — повышение КПД и надежности работы устройства, а также расширение функциональных возможностей преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что тиристорный импульсный преобразователь для управления двигателем постоянного тока, содержащий источник питания, связанный через токоограничиваюший реактор, вторичная обмотка которого включена последовательно с возвратным диодом, а рабочая - связана с като» дом обратного диода, и через разделительный диод с узлом последовательной коммутации, непосредственно — с анодом шунтирующего диода, а через основной тиристор — с анодом обратного диода и разделительным реактором, соединенным с клеммой для подключения якоря двига1 теля, снабжен дополнительным токоограничивающим реактором с дополнительной подмагничивающей обмоткой, разделитель ным реактором, тормс, ным тиристором, тормозным реостатом и тиристором тормозного реостата, причем рабочая и вторичная обмотки дополнительного токоогра ничивающего реактора включены последо. вательно и согласно с соответствующими обмотками токоограничивающего реактора, а подмагничивающие обмотки вклю- . чены последовательно и встречно между второй клеммой для подключения якоря двигателя и точкой соединения рабочих обмоток дополнительный разделительный реактор включен между вторым выводом якоря двигателя и точкой соединения катодов шунтируюшего диода, тормозного тиристора и тиристора тормозноцо реоE

2045 стата, анод тормозного тиристора и второй вывод тормозного реостата подключены к катоду обратного диода.

На фиг. 1 приведена схема преобразователя для управления двигателем постоянного тока; на фиг. 2 — временные диаграммы токов и напряжений, протекающих в устройстве в режиме разгона дви-, гателя; на фиг. 3 — перемещение рабочей точки токоограничивающего реактора ; на фиг. 4 — пере мещение рабочей точки дополнительного токоограничивающего реактора в режиме разгона, на фиг. 5 - временные диаграммы токов и напряжений, протекающих в устройстве в режиме торможения двигателя; на фиг. b — перемещение рабочей точки токоограничиваюшего реактора в режиме торможения; на фиг. 7 — перемещение рабочей точки дополнительного токоограничивающего реактора в режиме торможения.

К положительному полюсу источника питания преобразователя подключено на чало рабочей обмотки токоограничивающего реактора 1, конец рабочей обмотки 2 которого соединен с началом подмагничивающей обмотки 3, а конец этой обмотки соединен с концом подмагничивающей обмотки 4 дополнительного токоограничивающего реактора 5, начало обмотки 4 подсоединено к якорю 6 двигателя постоянного тока 7, второй вывод якоря. 6 через разделительный реактор 8 и основной тиристор 9 подключен к отрицательному цолюсу источника питания. К общей точке разделительного реактора 8 и тиристора 9 подсоединен анод обратного диода 10, катод которого соединен с кон40 цом рабочей обмотки 11 токоограничивающего реактора 5, а начало обмотки 11 подключено к общей точке соединения обмоток 2 и 3 реактора 1. Конец вторичной обмотки 12 реактора 1 соединен с

45 началом обмотки 2, а начало обмотки

12 соединено с концом вторичной обмотки

13 реактора 5, конец обмотки 13 сое- . динен с катодом возвратного диода 14, анод которого подключен к отрицательио50 му полюсу источника питания. К точке соединения катода диода 10 и конца обмотки 11 подключены анод тормозного тиристора 15, тормозной реостат 16 и

55 узел 17 последовательной коммутации

Катод тиристора 15 через дополнительный разделительный реактор 18 подключен к общей точке якоря 6 и реактора 8.

Второй вывод. тормозного реостата 16

Ь:

Е"

692045

S через тиристор 19 тормозного реостата в прямом направлении соединен с общей точкой тиристора 15 и реактора 18.

Катод обрвтнсго диода 10 соединен с началом вторичной обмотки 20 импульсного трансформатора узла последовательной коммутации 17, в конец обмотки 20 через коммутирующий тирнстор

21 узла последовательной коммутации

iB разделительный диод 22 в прямом направлении соединен с отрицательйым полюсом источника питания и с анодом шун.тируюшего диода 23, катод которого: подключен к катоду тормозного тйриСтора 15. Для питания обмотки возбуждения 24 независимо от обмотки якоря 6 обмотка возбуждения 24 подключена к тому же источнику. ) . Преобразователь работает следующим образом. При подаче напряжения питания происходит заряд конденсаторов узла последовательной коммутации. С включением силового тиристорв 9 к "нагрузке прикладывается напряжение питания и "по цепи через рабочую обмотку 2, подмагничиваюшую обмотку 3 реактора 1, подмагничиваюшую обмотку 4 реактора 5, якорь 6 двигателя 7, разделительный реактор 8, тнристор 9 начинает протекать ток. Двигатель 7 последовательного

36 возбуждения работает по схеме. неэависиу В мого возбуждения с целью улучшения электромеханических характеристик привода.

При достаточно большом якорном токе

3% под воздействием подмагничивания рабочая точка нв петле гистерезиса реактора

-"-1 (фиг. 3) перемещается в положение 1. на верхней насыщенной ветви, а рабочая точка реактора 5 (фиг. 4) - в положение . l на нижней насыщенной ветви.

Число витков в обмотках подмагничивания невелико (как правило, Ф = Ng = 4 ) поэтому невелика и яженность мвгнитIIoFo полЯ Но..

В интервале Π— 4 (фиг. 2 а) ток .якоря протекает в обмотке 2 и s обмотке 3 согласно, поэтому рабочая точка на пвтле гистерезиса реактора 1 перемещвеэся дальше по верхней насыщенной ветви уф в положение 2 (фиг. 3). Реактор 1 в интервале импульса остается насыщенным, Рабочая точка на петле гистерезиса реактора 5 остается в положении 1 (фиг. 4) до конца импульса. Якорный ток д насьицвет также разделительный реактор

8, чем улучшается включение тиристора

8 при пуске схемы.

В момент времени 1 включается коммутирующий тиристор 21 н нв вторичной обмотке 20 импульсного трансформатора формируется импульс запирающего напряжения, который через диод 22 прикладывается к катоду тиристора 9, а через диод 10 — к аноду тиристора 9. Реактор 8 в двигательном режиме насыщен, реактор 18 - ненасыщен, нагрузка на узел последовательной коммутации снижена, а это повышает надежность ком- °

1 мутации, так как исключено снижение запирающего напряжения на силовом тиристоре 9.

В момент 1 при включении тиристо ра 21 к обмотке 11 реактора 5 прикладывается сумма напряжений источника питания и вторичной обмотки 20 импульсного трансформатора. В цепи от источника питания череэ обмотку 2, обмотку 11, обмотку 20, тиристор 21, диод 22 начинает протекать ток (фиг. 2 в). Рабочая точка реактора 5 при этом выходит.на ненасыщенйую ветвь и успевает за время коммутации переместиться до некоторого положения "2 (фиг. 4). Ненасыщенный реактор 5 ограничивает этим короткое

;замыкание источника питания.

Поскольку с включением тиристора 21 к тиристору 9 прикладывается запираю щее напряжение обмотки 20, то ток яко ря 6 начинает протекать йо цепи через обратный диод 10, обмотку 20, тиристор

21, диод 22. В момент времени 4g (фнг. 2 в) тиристор 21 выключен, напряжение на коммутирующем конденсаторе узла принудительйой коммутации становятся равным напряжению источника питания, разделительный диод 22 запирается и препятствует разряду конденсатора узла принудительной коммутацйи нв источник питания. После эапирания диода 22 на обмотке 11 реактора 5 возникает ЭДС самоиндукции, полярйость напряжения на вторичной обмотке 13 обеспечивает отпирание возвратного диода 14, подключение обмоток 12 и 13 к источнику питания и возврат энергии, нвкойленной в реакторе 5 за интервал коммутации Ф,„-4 я.

В интервале Ф - 1 в-цепи: начало обмотки 11, обмотка 3, обмотка 4, якорь 6, реактор 8, диод 10, конец обмотки 11 - протекает ток нагрузки. Рабочая точка pearropa S возвращается на нижнюю ненасьпценную ветвь и успевает достичь положения 3 (фиг. 4), определяемого суммой ампервитков обмоток 11 и 4. Напряжение обмотки 13 становит7 ся равным нулю и диод 14 запирается источником питания. При последующем включении в момент времени 1 (фиг.

2 а) процессы в устройстве повторяются. В случае регулирования длительности импульса напряжения на якоре 6 (фиг. 2 б) изменяется скорость вращения двигателя.

Когда среднее напряжение на якоре 6 двигателя 7 (фиг. 2 б) достигает уровня напряжения питания, узел 17 не включается, т. е. управляющие импульсы на тиристор 21 не поступают. По цепи от источника питания через обмотки 2, 3 и 4, якорь 6, реактор 8, тиристор 9 про текает постоянный ток и двигатель работает на естественной характеристике.

Приращение индукции ь В в реакторе

5 определяется лишь напряжением на обмотке реактора 5 в коммутационном интервале и продолжительностью этого интервала. От величины тока якоря при величине этого тока, большей 15-20% =,"=от часового, приращение индукции практически не зависит. При насыщающихся реакторах не запасается энергия магнит ного поля при.протекании нагрузочного тока, поэтому энергия, циркулирующая между источником и магнитным полем, уменьшается до малых величин. Кроме того, ненасыщенный реактор 5 обладает большим сопротивлением, в результате чего дополнительная токовая нагрузка на узел последовательной коммутации умень шается до малых величин. Все это ведет к снижению потерь энергии и повышает КПД устройства.

Переход к режиму торможения двигателя происходит бесконтактным способом

Управляющие импульсы на силовой тирис тор 9 не поступают, а переводятся на тормозной тиристор 15. Ток обмотки возбуждения 24 при тор..ожении направления не изменяет. При включении тиристора 15 ток якоря 6 протекает через н чало обмотки 4, обмотку Э, обмотку 11 тиристор 15, реактор 18. Насышающийс ! .реактор 18 улучшает процесс включения ,тиристора 15. Рабочая точка на петле гистерезиса реактора 1 находится на ни ней насыщенной ветви в положении 1" (фиг. 6), рабочая точка реактора 5 на верхней насыщенной ветви в положении

«1» (фиг. 7). В момент времени (фиг. 5 в) включается тиристор 21. 3анирающее напряжение обмотки 20 импульсного трансформатора узла принудительной коммутации 17 по цепи через

692045 8 тиристор 21 и диод 23 прикладывается к тиристору 15. Ток якоря 6 протекает по цепи: обмотка 4, обмотка 3, обмотка

11, обмотка 20, тиристор 21, диод 23, реактор 18.

В режиме торможения ток якоря 6 через разделительный реактор 8 не протекает, так как тиристор 9 не включается, а диод 10 заперт под действием ЭДС двигателя. 0 Ненасыщенный разделительный реактор 8 повышает надежность коммутации, так

KBK исключает короткое замыкание запирающего напряжения обмотки 20 по цепи: тиристор 21, диод 22, диод 23, реактор

18, реактор 8, диод 10, обмотка 20.

При включении тиристора 21 начинает

I протекать ток и от источника питания по ,цепи: обмотка 2, обмотка 11, обмотка

20, тиристор 21, диод 22. Рабочая точ20 ка реактора 1 переходит на ненасыщен1 ную ветвь в положение "2" (фиг. 6), этим ограйичивается короткое замыкание источника питания. После выключения тиристора 21 пройсходит заряд коммути25 рующего конденсатора узла принудительной коммутации. При равенстве напряжений источника питания и коммутирующего конденсатора разделительный диод 22 эа30 пирается. ЭДС самоиндукции реактора 1 обеспечивает отпирание возвратного диода 14, подключение обмоток 12 и 13 K источнику питания и возврат энергии, на копленной в реакторе 1 при коммутации.

Ток якоря 6 под действием ЭДС дви35 гателя протекает в источник питания по, цепи: обмотка 4, обмотка Э, обмотка 2, диод 23 и насыщенный реактор 18 (фиг.

5 г). Реактор 1 насыщается (рабочая

4, точка 3 на фиг. 6), диод 14 запирается. Происходит передача энергии от нагрузки в обратном направлении в источник, т. е. рекуперативное торможение.

Если мощность источника питания недос45 таточна для принятия всей энергии, поступающей от двигателя в режиме рекуперации, то напряжение источника повьппается. При превышении напряжения источника питания выше установленного предела даш нейшая передача энергии от двигателя s источник прекращается, включается тиристор 19 тормозного реостата 16.

Toi якоря 6 замыкается в цепи: обмотка . 4, обмотка Э, обмотка 11, тормозной реостат 16,, тиристор 19, разделитель» ный реактор 18. Запасенная в двигателе энергия передается в обратном направлении в тормозной реостат 16, т. е. осу ществляется реостатное торможение. При

9 692045 включении тормозного тирнстора 15 в т момент времени 1 (фиг. 5 а) ток через ст тормозной реостат 16 прерывается, про- та цессы в устройстве повторяются до пол- до ного торможения. 5

Формула изобретения

Тиристорный импульсный преобразователь для управления двигателем постоян- 10 ного тока, содержащий источник постоянного тока, связанный через токоограничивающий реактор, вторичная обмотка которого включена последовательно с возвратным диодом, а рабочая — связана с като- дом обратного диода, и через разделительный диод с узлом последовательной «оммутации, непосредственно — с анодом шунтирующего, диода, а через основной тирис- . тор — с анодом обратного диода и раздели 0 тельным реактором, .соединенным с клеммой для подключения якоря двигателя, отличающийся тем,что, с целью повышения КПД и надежности, а

25 также расширения функциональных возможностей преобразователя, он снабжен дополнительным токрограничивающим реактором с дополнительной подмагничивающей обмоткой, разделительным реактором, ормозным тиристором, тормозным реоатом и тиристором тормозного реоста, причем рабочая и вторичная обмотки полнительного токоограничивающего р актора включены последовательно и согласно с соответствующими обмотками токоограничивающего реактора, а подмагничивающие обмотки включены последовательно и встречно между второй клеммой для подключения якоря двигателя и точкой соединения рабочих обмоток,дополнительный разделительный реактор включен между клеммой для подключения якоря двигателя и точкой соединения катодов шунтирующего диода, торI мозного тиристора ." . тиристора тормозного реостата анод тормозного тирист ра и второй вывод тормозного реостата подключены к катоду обратного диода.

Источники информации, принятые во внимание при акспертиэе

1. Авторское свидетельство СССР

Ж 531238, кл. Н 02 М 3/135, 1974.

2. Патент ФРГ М 2424369„ кл. H 02 М 7/185, 1974.

3. Автономные инверторы. Под ред.

Тончарова IQ, П,.:Кишинев «Штиинда", 1974, стр 144, рис, 89 (прототип).

И6

Фю. F

Заказ 6237/49 Тираж 857 Подписное

ИНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-З5, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Фиг.ю

Составитель Q. Каказная

Редактор Д. Мепурншвили Texpea,С. Мигай Корректор Н. Горват