Патент на изобретение №2295824

(54) ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ПУСКА И РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ МОЩНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ, ИМЕЮЩЕГО ОДНУ ИЛИ НЕСКОЛЬКО ТРЕХФАЗНЫХ ОБМОТОК (ЕГО ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для питания, пуска и регулирования скорости мощного электродвигателя, например, высоковольтных синхронных электродвигателей при рабочих напряжениях 6-10 кВ и при мощности от сотен кВт до десятков МВт. Технический результат заключается в обеспечении плавного пуска электродвигателя, обеспечения возможности совместной работы электродвигателя с питающими его инверторами в режимах, близких к оптимальным, за счет изменения угла сдвига между током и напряжением фаз электродвигателя от опережающего до отстающего, а также за счет приближения формы фазных токов к синусоиде. В высоковольтном преобразователе частоты для пуска и регулирования скорости мощного электродвигателя последовательно с фазами трехфазных обмоток электродвигателя подключены источники вспомогательных ЭДС, каждый из которых выполнен в виде коммутатора. Коммутатор составлен из 4-х полностью управляемых вентилей с обратной проводимостью соединенных по схеме однофазного моста. К выводам постоянного тока моста подключен конденсатор. Устройство управления вентилями каждого коммутатора содержит фазосмещающее устройство, сумматоры, регулятор напряжения, датчик напряжения конденсатора и блок задания величины вспомогательной ЭДС. Коммутаторы могут быть выполнены по схеме трехуровневого однофазного модуля или в виде последовательно соединеных нескольких коммутаторов. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 18 ил.

Заявляемое техническое решение относится к электротехнике, а именно, к преобразователям частоты для питания фазных обмоток (для пуска и регулирования скорости) мощного электродвигателя, например, для пуска и управления работой мощных высоковольтных синхронных электродвигателей (в классе рабочих напряжений 6…10 кВ, при мощности от сотен кВт до десятков МВт).

Известно устройство [1] для питания фазных обмоток синхронного электродвигателя, выполненное на основе трехфазного инвертора, коммутируемого нагрузкой. Недостаток этого устройства – плохой пуск электродвигателя. Вследствие отсутствия ЭДС электродвигателя в начале разгона и, следовательно, отсутствия напряжения, запирающего тиристоры инвертора, процесс пуска сопровождается паузами тока в фазных обмотках двигателя и, как следствие, провалами момента электродвигателя (толчками), что неблагоприятно отражается на работе привода в целом. Кроме того, при больших индуктивных сопротивлениях обмоток статора (с учетом времени восстановления тиристоров) электродвигатель работает с низким коэффициентом мощности, что не позволяет достичь технико-экономических показателей, близких к оптимальным.

Известно также устройство [2] для питания фазных обмоток синхронного электродвигателя, включающее в себя: источник регулируемого постоянного тока, к которому подключен коммутируемый нагрузкой трехфазный мостовой инвертор. В устройстве [2] используются источники вспомогательных ЭДС, подключенные к инвертору последовательно с фазными обмотками синхронного электродвигателя, а также датчики токов и напряжений и устройства управления инвертором и источниками вспомогательных ЭДС.

Источники вспомогательных ЭДС создают дополнительную составляющую обратного напряжения, приложенного к выключаемому тиристору, действующую во время и по окончании спада тока в выключаемом тиристоре до нулевого значения, т.е. во время восстановления его запирающих свойств. Такое решение позволяет несколько уменьшить угол опережения фазным током фазного напряжения электродвигателя, что улучшает использование электродвигателя.

Данное техническое решение является наиболее близким к заявляемому техническому решению по своей сущности и техническому результату.

Вышеупомянутое техническое решение [2], а именно предложенная в техническом решении [2] схемная реализация (см. Patent US №4713743, FIG.6), имеет следующие недостатки, обусловливающие сравнительно низкие технико-экономические показатели и надежность работы электропривода в целом:

1. Так же, как и в техническом решении [1], не обеспечиваются благоприятные пусковые свойства привода, т.к. в начале разгона отсутствует ЭДС электродвигателя и, следовательно, отсутствуют напряжения вспомогательных источников фазных напряжений, участвующие в процессе коммутации тиристоров. Процесс пуска так же, как и в техническом решении [1], сопровождается паузами тока в фазных обмотках двигателя и, как следствие, провалами момента электродвигателя (толчками), что неблагоприятно отражается на работе привода в целом.

2. Техническое решение [2] характеризуется значительным количеством трансформаторного оборудования, причем каждый из трансформаторов имеет обмотки, гальванически связанные с фазными обмотками электродвигателя. В случае применения высоковольтного электродвигателя это предъявляет повышенные требования к изоляции упомянутых обмоток, что, в конечном счете, выливается в усложнение и удорожание применяемого оборудования.

3. Применение насыщающихся трансформаторов ограниченной мощности в качестве вспомогательных источников фазных напряжений накладывает ряд ограничений на возможность их использования. Так, например, формирование импульса напряжения (ЭДС) во вторичной обмотке любого из насыщающихся трансформаторов ST (см. Patent US №4713743, FIG.6), подключенных между фазами инвертора и соответствующими фазами обмотки электродвигателя, возможно только при близком к нулю значении тока соответствующей фазы электродвигателя, что сужает временной диапазон, в котором может быть использовано добавочное (вспомогательное) напряжение и, тем самым, существенно ограничивает возможность влияния на величину коэффициента мощности электродвигателя, т.е. ограничивает возможность оптимизации режимов его работы.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в обеспечении плавного (без толчков) пуска электродвигателя, начиная с нулевой скорости, обеспечения возможности совместной работы электродвигателя с питающими его инверторами в режимах, близких к оптимальным, за счет обеспечения возможности изменения угла сдвига между током и напряжением фаз электродвигателя от опережающего до отстающего, а также за счет обеспечения возможности приближения формы фазных токов электродвигателя к синусоиде.

При решении поставленной задачи достигаемый технический результат заключается в повышении технико-экономических показателей привода в целом, увеличении ресурса работы электродвигателя и уменьшении затрат на текущее эксплуатационное обслуживание.

В соответствии с первым вариантом предложенного технического решения указанная задача решается тем, что в известном высоковольтном преобразователе частоты для пуска и регулирования скорости мощного электродвигателя, имеющего одну или несколько трехфазных обмоток, включающем в себя: источник регулируемого постоянного тока; трехфазный мостовой коммутируемый нагрузкой инвертор, подключенный к упомянутому источнику и состоящий из шести одинаковых полууправляемых вентилей (например, тиристоров); источники вспомогательных ЭДС, подключенные к выводам переменного тока упомянутого инвертора последовательно с фазами трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя; датчики токов и напряжений и устройства управления инвертором и источниками вспомогательных ЭДС; при этом устройство управления инвертором включает в себя фазосмещающее устройство, блок задания угла опережения, выход которого соединен с одним входом фазосмещающего устройства и блок синхронизации относительно напряжений электродвигателя, включающий в себя преобразователь синхросигналов в последовательность опорных функций, выход которого соединен с другим входом фазосмещающего устройства, согласно заявляемому техническому решению:

– число упомянутых инверторов равно числу трехфазных обмоток электродвигателя, причем инверторы подключены к источнику регулируемого постоянного тока последовательно;

– каждый из источников вспомогательных ЭДС выполнен в виде коммутатора, состоящего из конденсатора и 4-х одинаковых полностью управляемых вентилей, обладающих обратной проводимостью, соединенных по схеме однофазного моста, имеющего два вывода переменного тока: первый вывод подключен к соответствующему выводу переменного тока соответствующего вышеупомянутого инвертора, второй вывод подключен к выводу соответствующей фазы соответствующей трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя, и два вывода постоянного тока, к которым подключен упомянутый конденсатор, причем конденсатор не имеет подключений к внешним источникам или потребителям электрической энергии;

– в устройства управления вентилями каждого коммутатора введены: фазосмещающее устройство коммутатора, первый и второй сумматоры, регулятор напряжения, датчик напряжения соответствующего конденсатора, блок задания величины вспомогательной ЭДС; первый и второй входы первого сумматора соединены соответственно с выходом датчика напряжения конденсатора и с выходом блока задания величины вспомогательной ЭДС; выход первого сумматора соединен со входом регулятора напряжения; первый и второй входы второго сумматора соединены соответственно с выходом регулятора напряжения и с выходом блока задания угла опережения; выход второго сумматора соединен с одним входом фазосмещающего устройства коммутатора, другой вход которого соединен с выходом преобразователя синхросигналов в последовательность опорных функций.

Кроме того, в устройства управления вентилями каждого коммутатора могут быть дополнительно введены блок задания тока и блок модуляции ширины импульсов управления вентилями коммутатора, а каждое фазосмещающее устройство коммутатора снабжено дополнительным входом, соединенным с выходом соответствующего блока модуляции ширины импульсов управления вентилями, один вход которого соединен с соответствующим датчиком тока фазы электродвигателя, а другой вход соединен с выходом блока задания тока.

Кроме того, каждый из источников вспомогательных ЭДС может быть выполнен в виде коммутатора, состоящего из 2-х конденсаторов, 2-х диодов и 4-х одинаковых полностью управляемых вентилей, обладающих обратной проводимостью, соединенных по схеме трехуровнего однофазного модуля, имеющего два вывода переменного тока: первый вывод подключен к соответствующему выводу переменного тока соответствующего вышеупомянутого инвертора, второй вывод подключен к выводу соответствующей фазы соответствующей трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя, причем конденсаторы не имеют подключений к внешним источникам или потребителям электрической энергии.

Кроме того, каждый из источников вспомогательных ЭДС может быть образован последовательным соединением двух или более коммутаторов, имеющих соответствующие, упомянутые выше, средства управления.

В соответствии со вторым вариантом предложенного технического решения указанная задача решается тем, что в известном высоковольтном преобразователе частоты для пуска и регулирования скорости мощного электродвигателя, имеющего одну или несколько трехфазных обмоток, включающем в себя: источник регулируемого постоянного тока; трехфазный мостовой коммутируемый нагрузкой инвертор, подключенный к упомянутому источнику и состоящий из шести одинаковых полууправляемых вентилей (например, тиристоров); источники вспомогательных ЭДС, подключенные к выводам переменного тока упомянутого инвертора последовательно с фазами трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя; датчики токов и напряжений и устройства управления инвертором и источниками вспомогательных ЭДС; при этом устройство управления инвертором включает в себя фазосмещающее устройство, блок задания угла опережения, выход которого соединен с одним входом фазосмещающего устройства, и блок синхронизации относительно напряжений электродвигателя, включающий в себя преобразователь синхросигналов в последовательность опорных функций, выход которого соединен с другим входом фазосмещающего устройства,

согласно заявляемому техническому решению:

– число упомянутых инверторов равно числу трехфазных обмоток электродвигателя, причем инверторы подключены к источнику регулируемого постоянного тока последовательно;

– источники вспомогательных ЭДС выполнены в виде коммутаторов, число которых равно числу трехфазных обмоток упомянутого электродвигателя; каждый из коммутаторов состоит из конденсатора и 6-ти одинаковых полностью управляемых вентилей, обладающих обратной проводимостью, соединенных по схеме трехфазного моста, к двум выводам постоянного тока которого подключен упомянутый конденсатор; к первому, второму и третьему выводам переменного тока упомянутого трехфазного моста подключены соответственно концы первой, второй и третьей фаз соответствующей трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя, причем начала первой, второй и третьей фаз соответствующей трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя подключены к соответствующим выводам переменного тока соответствующего инвертора;

– в устройства управления вентилями каждого коммутатора введены фазосмещающее устройство коммутатора, первый и второй сумматоры, регулятор напряжения, датчик напряжения соответствующего конденсатора, блок задания величины вспомогательной ЭДС; первый и второй входы первого сумматора соединены соответственно с выходом датчика напряжения конденсатора и с выходом блока задания величины вспомогательной ЭДС; выход первого сумматора соединен со входом регулятора напряжения; первый и второй входы второго сумматора соединены соответственно с выходом регулятора напряжения и с выходом блока задания угла опережения; выход второго сумматора соединен с одним входом фазосмещающего устройства коммутатора, другой вход которого соединен с выходом преобразователя синхросигналов в последовательность опорных функций.

На фиг.1 представлена структурная схема первого варианта заявляемого высоковольтного преобразователя, питающего мощный электродвигатель, имеющий несколько трехфазных обмоток.

На фиг.2 представлена схема первого варианта высоковольтного преобразователя с коммутаторами по схеме однофазного моста применительно к электродвигателю с одной трехфазной обмоткой.

На фиг.3 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие работу инвертора, коммутируемого нагрузкой.

На фиг.4, 5 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы первого варианта заявляемого технического решения.

На фиг.6 представлены схемы протекания контурных токов в процессе коммутации в устройстве, реализующем первый вариант предложенного технического решения.

На фиг.7, 8 представлены диаграммы, поясняющие порядок управления транзисторами коммутаторов для первого варианта высоковольтного преобразователя.

На фиг.9 представлена схема первого варианта высоковольтного преобразователя с коммутаторами по схеме однофазного моста применительно к электродвигателю с одной трехфазной обмоткой, позволяющая получить приближенную к синусоиде форму фазных токов электродвигателя.

На фиг.10 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип управления коммутаторами, позволяющий получить приближенную к синусоиде форму фазных токов электродвигателя для первого варианта высоковольтного преобразователя.

На фиг.11 представлены схема коммутатора в виде трехуровнего однофазного модуля, а также схема высоковольтного преобразователя с источниками вспомогательных ЭДС, образованными последовательным соединением двух коммутаторов.

На фиг.12 представлена схема устройства, реализующего второй вариант предложенного технического решения применительно к электродвигателю с одной трехфазной обмоткой.

На фиг.13 представлена схема устройства, реализующего второй вариант предложенного технического решения применительно к электродвигателю с несколькими трехфазными обмотками.

На фиг.14 представлены схемы протекания контурных токов в процессе коммутации в устройстве, реализующем второй вариант предложенного технического решения.

На фиг.15 представлены временные диаграммы токов и напряжений в процессе коммутации в устройстве, реализующем второй вариант предложенного технического решения.

На фиг.16 представлены временные диаграммы токов и напряжений в устройстве, реализующем второй вариант предложенного технического решения.

На фиг.17 представлены осциллограммы для первого варианта преобразователя частоты с тремя дополнительными источниками в фазах.

На фиг.18 представлены осциллограммы для второго варианта преобразователя частоты с трехфазным дополнительным источником напряжения.

Устройство заявляемого технического решения в его статическом состоянии описано по схемам и диаграммам на фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 – для первого варианта заявляемого высоковольтного преобразователя частоты и по схемам и диаграммам на фиг.12, 13, 14, 15, 16 – для его второго варианта.

В качестве дополнительного материала, иллюстрирующего работу первого и второго вариантов заявляемого устройства, на фиг.17 и 18 приведены результаты математического моделирования электропривода с заявляемым высоковольтным преобразователем на программном комплексе ЕЛТРАН.

На фиг.1 представлена структурная схема первого варианта заявляемого высоковольтного преобразователя частоты, питающего мощный электродвигатель, имеющий несколько трехфазных обмоток.

Высоковольтный преобразователь включает в себя источник 1 регулируемого постоянного тока, к которому последовательно подключены коммутируемые нагрузкой трехфазные тиристорные инверторы 2, коммутаторы 3 (источники вспомогательных ЭДС), подключенные к инверторам 2 последовательно с фазами трехфазных обмоток 4 электродвигателя 5, а также включает в себя датчики 6 фазных токов и датчик 7 напряжений электродвигателя 5. Кроме того, высоковольтный преобразователь включает в себя устройства 8 управления коммутаторами 3 и устройства 9 управления инверторами 2.

На фиг.2 представлена схема высоковольтного преобразователя с коммутаторами 3 по схеме однофазного моста применительно к электродвигателю 5 с одной трехфазной обмоткой 4. Как ясно из фиг.1, в случае, когда электродвигатель 5 имеет не одну, а несколько трехфазных обмоток 4, схемные отличия от варианта на фиг.2 чисто количественные (соответственно числу трехфазных обмоток 4 увеличивается число инверторов 2, коммутаторов 3, датчиков 6, 7 и средств управления 8, 9).

Силовая часть высоковольтного преобразователя (см. фиг.2) состоит из источника 1 регулируемого постоянного тока, к которому подключен коммутируемый нагрузкой трехфазный мостовой тиристорный инвертор 2, к фазным выходам которого последовательно с тремя фазами обмотки 4 электродвигателя 5 подключены три коммутатора 3, каждый из которых состоит из конденсатора 10 и 4-х IGBT-транзисторов 11, 12, 13, 14, соединенных по схеме однофазного моста.

Управляющая часть высоковольтного преобразователя (см. фиг.2) состоит из трех устройств 8 управления тремя коммутаторами 3 и устройства 9 управления инвертором 2.

Каждое устройство 8 управления коммутатором 3 состоит из фазосмещающего устройства 15, вырабатывающего импульсы включения и выключения IGBT-транзисторов 11, 12, 13, 14, первого сумматора 16 и второго сумматора 17, регулятора 18 напряжения, датчика 19 напряжения соответствующего конденсатора 10 и блока 20 задания величины вспомогательной ЭДС.

Устройство 9 управления инвертором 2 состоит из фазосмещающего устройства 21, вырабатывающего импульсы включения тиристоров 22, 23, 24, 25, 26, 27 инвертора 2, блока 28 задания угла опережения и блока 29 синхронизации, включающего в себя преобразователь синхросигналов в последовательность опорных функций. Блок 29 синхронизации имеет в своем составе внутренний генератор импульсов, обеспечивающий формирование синхросигналов при пуске электродвигателя 5, когда величина ЭДС электродвигателя 5 недостаточна для формирования синхросигналов. Выходные сигналы блоков 28 и 29 используются также в качестве входных сигналов устройств 8 управления коммутаторами 3.

В устройстве 8 (управления коммутатором 3) первый и второй входы первого сумматора 16 соединены соответственно с выходом датчика 19 напряжения конденсатора 10 и с выходом блока 20 задания величины вспомогательной ЭДС; выход первого сумматора 16 соединен с входом регулятора 18 напряжения. Первый и второй входы второго сумматора 17 соединены соответственно с выходом регулятора 18 напряжения и с выходом блока 28 задания угла опережения; выход второго сумматора 17 соединен с одним входом фазосмещающего устройства 15, другой вход которого соединен с выходом преобразователя синхросигналов в последовательность опорных функций, входящего в состав блока 29 синхронизации. На фиг.2 фазосмещающее устройство 15 условно представлено в виде последовательно соединенных устройства сравнения и распределителя импульсов РИ.

В устройстве 9 (управления инвертором 2) один вход фазосмещающего устройства 21 соединен с выходом блока 28 задания угла опережения, другой вход фазосмещающего устройства 21 соединен с выходом преобразователя синхросигналов в последовательность опорных функций, входящего в состав блока 29 синхронизации. На фиг.2 фазосмещающее устройство 21 также условно представлено в виде последовательно соединенных устройства сравнения и распределителя импульсов РИ.

Назначение и принцип действия коммутаторов 3 пояснены при помощи фиг.2, 3, 4.

На фиг.3а изображены мгновенные значения (синусоиды) фазных Ua, Ub, Uc напряжений обмотки 4 электродвигателя 5 и основные ЭДС коммутации (ЭДС электродвигателя 5), обозначенные (-Uab), (-Ubc), (-Uca), поскольку знак этих ЭДС противоположен знаку линейных напряжений Uab, Ubc, Uca.

Известно, что в коммутируемых нагрузкой инверторах циклически осуществляемая коммутация тока между фазами инвертора происходит в контуре коммутации, образованном двумя фазами трехфазной обмотки электродвигателя и двумя тиристорами соответствующих фаз инвертора, под действием разности ЭДС фаз электродвигателя (ЭДС коммутации).

В ходе процесса коммутации один из тиристоров является отключаемым – ток, протекающий через него, спадает под действием ЭДС коммутации в течение периода времени, называемого интервалом коммутации (в угловом выражении – угол коммутации), а другой тиристор является включаемым – ток, протекающий через него, нарастает в течение того же интервала коммутации. На включаемый тиристор импульс управления подается в интервале времени, когда направление ЭДС коммутации противоположно направлению тока, протекающего через отключаемый тиристор. При этом момент подачи импульса управления на включаемый тиристор опережает момент последующего перехода ЭДС коммутации через нулевое значение на интервал времени (в угловом выражении – на угол опережения), равный сумме интервала коммутации (угол коммутации) и интервала запаса (угол запаса), который должен быть не менее времени восстановления запирающих (блокирующих) свойств отключаемого тиристора.

В качестве примера рассмотрим (см. фиг.2, 3) процесс коммутации тока между тиристором 25 фазы А (отключаемый тиристор) и тиристором 26 фазы В (включаемый тиристор) инвертора 2 в контуре коммутации, куда входят также фаза А и фаза В обмотки 4 электродвигателя 5. В ходе рассмотрения считаем, что коммутаторы 3, расположенные в фазах А и В, не влияют на протекание тока в контуре, т.е., например, в обоих коммутаторах 3 в фазах А и В открыта пара транзисторов 11 и 14 (или 12 и 13).

На фиг.3б представлены кривые мгновенных значений токов в фазах А, В и С: ia, ib, ic. Там же обозначены номера тиристоров инвертора 2, проводящих соответствующие токи. За начало отсчета текущего угла =t принята точка пересечения основной ЭДС коммутации (-Uab) с осью абсцисс. На фиг.3б также обозначены:

– угол опережения (-),

– угол (-), при котором ток ia в тиристоре 25 становится равным нулю,

– угол запаса =0-(-),

– угол коммутации =–=–, в течение которого ток ia в тиристоре 25 спадает до нуля, одновременно ток ib в тиристоре 26 возрастает от нуля до максимума,

– ia1 – первая гармоника тока ia,

– для фазы А: угол сдвига между фазным напряжением и первой гармоникой фазного тока (Ua и ia1).

Для дальнейшего изложения следует отметить, что обычно углы , и определяются при проектировании привода, причем угол определяется расчетом процесса коммутации, исходя из значений параметров контура коммутации (значения углов и могут корректироваться системой управления электроприводом в зависимости от режима работы).

Из фиг.3б видно, что вследствие необходимости введения угла опережения угол сдвига получается отрицательным (фазные токи электродвигателя 5 опережают фазные напряжения). В реальном электроприводе значение этого угла обычно составляет около 30 эл. град., вследствие чего электродвигатель работает с коэффициентом мощности, существенно меньшим единицы. Это приводит к ухудшению технико-экономических показателей электропривода.

В соответствии с заявляемым техническим решением существенно уменьшить угол опережения, а следовательно, увеличить коэффициент мощности и улучшить технико-экономические показатели электропривода, можно, вводя в цепь обмотки 4 электродвигателя 5 коммутаторы 3. Предварительно заряженный током нагрузки до необходимого напряжения Е, обусловленного расчетом параметров коммутации и желаемого угла , конденсатор 10 каждого из коммутаторов 3 представляет собой вспомогательную ЭДС, направление действия которой в контуре коммутации задается включением соответствующих транзисторов коммутатора. Переключая на время коммутации соответствующим образом транзисторы 11…14, включают конденсаторы 10, расположенные в двух фазах, входящих в контур коммутации, таким образом, чтобы их напряжения усиливали действие основной ЭДС коммутации (согласное включение). Это приводит к задержке момента перехода через ноль результирующей ЭДС коммутации относительно момента перехода через ноль основной ЭДС коммутации (т.е. без добавленных вспомогательных ЭДС), что позволяет соответственно задержать момент начала выключения отключаемого тиристора, т.е. уменьшить угол опережения . Кроме того, увеличенное значение результирующей ЭДС коммутации (основная ЭДС коммутации плюс два напряжения конденсаторов 10) способствует ускорению процесса спадания тока в отключаемом тиристоре (одновременно способствуя нарастанию тока во включаемом тиристоре), т.е. уменьшению угла коммутации и, следовательно, дополнительному уменьшению угла опережения .

В качестве примера рассмотрим (см. фиг.2, 4) процесс коммутации тока между тиристором 25 фазы А (отключаемый тиристор) и тиристором 26 фазы В (включаемый тиристор) инвертора 2 в контуре коммутации, куда входят также фаза А и фаза В обмотки 4 электродвигателя 5 и коммутаторы 3, расположенные в фазах А и В.

На фиг.4 представлены несколько упрощенные временные диаграммы, иллюстрирующие принципиальную сущность заявляемого технического решения. На фиг.4а показаны фазные напряжения Ua, Ub и Uc, а также кривые, полученные сложением основных ЭДС коммутации (-Uab, -Ubc и -Uca) – на фиг.4а они обозначены штриховыми линиями – с вспомогательными ЭДС в фазах А, В и С: Еа, Eb и Ес. Результирующие ЭДС коммутации, равные (-Uab+Еа-Eb), (-Ubc+Eb-Ec) и (-Uca+Ec-Еа) показаны сплошными линиями. Вид вспомогательных ЭДС в фазах А, В и С: Еа, Eb и Ec – представлен на фиг.4б.

Условимся, что конденсатор 10 каждого коммутатора 3 на фиг.2 заряжен так, что его “плюс” на верхней обкладке, а его “минус” – на нижней обкладке. Тогда при вышеупомянутой коммутации тиристоров 25-26 для обеспечения согласного действия основной ЭДС коммутации (-Uab) и вспомогательных ЭДС в фазах А и В: Еа и Eb необходимо (см. фиг.2) выключить все транзисторы 11…14 коммутатора 3 в фазе А и включить транзисторы 11 и 13 коммутатора 3 в фазе В.

На фиг.4в представлены кривые мгновенных значений фазных токов ia, ib, ic, построенные с учетом действия результирующих ЭДС коммутации, а также ia1 – первая гармоника тока ia. Из фиг.4в видно, что при принятых условных соотношениях между (-Uab), Еа и Eb угол сдвига между фазным напряжением и первой гармоникой фазного тока Ua и ia1 получился положительным, что на качественном уровне свидетельствует об эффективности предложенного технического решения.

Влияние вспомогательных ЭДС на процесс коммутации поясняется на фиг.4г, где показаны три варианта, отличающиеся величиной результирующей ЭДС коммутации. На диаграммах изображены:

– одно из фазных напряжений, например, Ua,

– отрезок результирующей ЭДС коммутации вблизи точки перехода через ноль, например на левой диаграмме – (-Uab), на средней – (-Uab+Ea), на правой – (-Uab+Ea-Eb),

– часть кривой фазного тока отключаемой фазы, например ia,

– угол запаса – ,

– угол опережения – ,

– первая гармоника тока, например ia1,

– угол сдвига между фазным напряжением и первой гармоникой фазного тока; на левой диаграмме 1, на средней – 2, на правой – 3.

На фиг.4г заметно влияние увеличения ЭДС коммутации на величину угла (1>2>3). Увеличение ЭДС коммутации происходит за счет добавления к основной ЭДС коммутации (-Uab) напряжения конденсатора 10 (Ea) или напряжения двух конденсаторов 10 (Ea+Eb).

На правой диаграмме фиг.4г видно, что коммутация тока обеспечивается при близком к нулю значении основной ЭДС коммутации, т.е. практически только за счет действия напряжений конденсаторов 10 коммутаторов 3. Это подтверждает эффективность заявляемого технического решения при пуске и разгоне электродвигателя 5.

В соответствии с предлагаемым техническим решением (см. фиг.4б) схема коммутатора 3 и устройство 8 управления коммутатором 3 выполнены так, чтобы:

– на интервале времени, включающем в себя две следующие одна за другой коммутации тока какой-либо фазы инвертора 2, напряжение конденсатора 10 при первой коммутации было противоположно направлению тока фазы (конденсатор заряжается), а при второй коммутации совпадало с током (конденсатор разряжается). Заряд и разряд конденсатора 10 происходят без его связи с какими-либо вспомогательными источниками подвода или стока (отбора) энергии,

– обеспечивалось равенство заряда полученного конденсатором 10 при первой из двух упомянутых коммутаций и отданного им при второй коммутации, т.е. чтобы напряжение конденсатора 10 поддерживалось практически постоянным за счет описанного ниже алгоритма управления транзисторами 11…14 коммутатора 3. Этой же цели служит выбор достаточно большой емкости конденсатора 10 (на основании расчета, с учетом допустимого понижения напряжения конденсатора за время одной коммутации).

Алгоритм управления коммутаторами 3 описан на примере двух следующих одна за другой коммутаций тока фазы А:

– коммутация тиристоров 25 (отключаемый тиристор, фаза А) и 26 (включаемый тиристор, фаза В),

– коммутация тиристоров 24 (отключаемый тиристор, фаза С) и 22 (включаемый тиристор, фаза А),

и проиллюстрирован диаграммами токов и напряжений на фиг.5а, б, в.

При первой коммутации тиристоров 25 и 26 одновременным включением двух коммутаторов 3 в фазах А и В в контур коммутации вводят два напряжения конденсаторов 10, действующие согласно с основной ЭДС коммутации (-Uab). При второй коммутации тиристоров 24 и 22 одновременным включением двух коммутаторов 3 в фазах А и С в контур коммутации вводят два напряжения конденсаторов 10, действующие согласно с основной ЭДС коммутации (-Uca).

На фиг.5а представлены участки кривых результирующих ЭДС коммутации, полученных сложением основных ЭДС коммутации (для первой коммутации – (-Uab) и (-Uca) – для второй коммутации) с напряжениями Е конденсаторов 10. На фиг.5б изображен вид вспомогательных ЭДС в фазах А, В и С: Еа, Eb и Ес для рассматриваемой части периода. На фиг.5в представлены кривые токов ia и ib, а также -ia и -ic совмещенные на одной диаграмме. За начало отсчета текущего угла =t принята точка пересечения основной ЭДС коммутации (-Uab) с осью абсцисс.

Начало первой коммутации задается подачей управляющего потенциала на тиристор 26 (фаза В) для момента времени, которому соответствует угол =(-) (см. фиг 5в). Включение тиристора 26 приводит к образованию контура коммутации, в котором напряжения Е конденсаторов 10 в фазах А и В добавляются к основной ЭДС коммутации (-Uab), ускоряя процессы спада тока в тиристоре 25 (фаза А) и нарастания тока в тиристоре 26. Ток ia спадает до нуля на интервале ()…, равном углу коммутации =-(-)=+. Конденсатор 10 в фазе А при этом заряжается.

При =/3- подачей управляющего потенциала на тиристор 22 (фаза А) начинается вторая коммутация – выключение тиристора 24 (фаза С) под действием основной ЭДС коммутации (-Uca) и напряжений Е конденсаторов 10 в фазах А и С, действующих согласно с основной ЭДС коммутации. На интервале (/3-)…(/3+) конденсатор 10 в фазе А разряжается.

Как показано на фиг.5, момент отключения конденсатора 10 фазы А совпадает с концом интервала запаса отключаемого тиристора 25, что соответствует углу =+. (Аналогично момент отключения конденсатора 10 фазы С совпадает с концом интервала запаса отключаемого тиристора 24.) Момент отключения конденсатора 10, т.е. значение угла (+)=–+ однозначно определяется системой управления электроприводом. Достижение током отключаемой фазы нулевого уровня может определяться непосредственным измерением тока или вычисляться блоком-вычислителем системы управления электроприводом, исходя из того, что значения напряжения Е конденсатора 10 и углов и определяются при проектировании привода (значения углов и могут корректироваться системой управления электроприводом в зависимости от режима работы).

Из фиг.5 по характеру кривых токов коммутации при первой коммутации (спадающая экспонента) и при второй коммутации (нарастающая экспонента) видно, что если интервалы заряда и разряда будут одинаковы, то заряд, полученный конденсатором 10, будет меньше заряда, отданного конденсатором 10, что приведет к нежелательному уменьшению напряжения конденсатора 10 после второй коммутации в сравнении с напряжением Е на этом же конденсаторе до первой коммутации.

В соответствии с предлагаемым техническим решением, с целью поддержания требуемого уровня напряжения Е конденсатора 10, устройство 8 управления коммутатором 3 обеспечивает подзаряд конденсатора 10 током фазы на интервале (-–)…(-) до начала первой коммутации (см. фиг.5). Для этого в устройстве 8 реализована цепь коррекции (см. фиг.2). Она включает в себя блок 20 задания требуемого уровня напряжения Е конденсатора 10, датчик 19, измеряющий фактическое значение напряжения конденсатора 10, сумматор 16, вычисляющий рассогласование, поступающее на вход регулятора 18, выходной сигнал которого пропорционален требуемому значению угла . В сумматоре 17 происходит сложение сигналов, пропорциональных углам и , и результирующий сигнал поступает на вход фазосмещающего устройства 15, управляющего включением транзисторов 11, 12, 13, 14. Регулятор 18 может быть аналоговым или микропроцессорным.

Смещение переднего фронта Еа и Ес показано на фиг.5а, б заштрихованным участком. На фиг.7 также отмечено смещение на угол переднего фронта напряжений Еа, Eb и Ec.

Работа заявляемого устройства описана с использованием фиг.2, 4, 5, 6, 7.

Работа устройства 9 управления инвертором 2 происходит так же, как в других приводах с инвертором, коммутируемым нагрузкой. Фазосмещающее устройство 21 при помощи логического автомата (или программным способом) совместно обрабатывает входные сигналы от блока 28 задания угла опережения и блока 29 синхронизации и распределяет в определенном порядке импульсы включения тиристоров 22…27.

Каждое из устройств 8 управления коммутаторами 3 подобным же образом, т.е. совместной обработкой входных сигналов от блока 28 задания угла опережения и сигнала от блока 29 синхронизации при помощи логического автомата (или программным способом) формирует управляющие импульсы транзисторов 11…14, для выключения конденсатора 10 из цепи протекания фазного тока по окончании коммутации (при =+, см. фиг.5).

Включение конденсатора 10 в цепь протекания фазного тока происходит, как уже отмечалось выше, с использованием цепи коррекции (см. фиг.2). Рассогласование между измеренным (датчиком 19) и заданным значениями напряжения Е конденсатора 10 с выхода сумматора 16 поступает на вход регулятора 18, выходной сигнал которого пропорционален требуемому значению угла . В сумматоре 17 сигналы, пропорциональные углам и , суммируются. Сумматор 17 своим выходным сигналом воздействует на один из входов фазосмещающего устройства 15, на другой вход которого поступает сигнал от блока 29 синхронизации. В результате совместной обработки упомянутых сигналов фазосмещающее устройство 15 формирует управляющие импульсы транзисторов 11…14, обеспечивающие включение конденсатора 10 в цепь протекания фазного тока до начала коммутации (при =+, см. фиг.5) и его подзаряд.

Порядок управления транзисторами 11, 12, 13, 14 коммутаторов 3 может быть пояснен на примере двух следующих одна за другой коммутаций тока фазы А:

– коммутация тиристоров 25 (отключаемый тиристор, фаза А) и 26 (включаемый тиристор, фаза В), (фиг.6),

– коммутация тиристоров 24 (отключаемый тиристор, фаза С) и 22 (включаемый тиристор, фаза А)

и проиллюстрирован схемами протекания контурных токов в процессе коммутации по цепи: инвертор 2 – коммутаторы 3 – электродвигатель 5, представленными на фиг.6, а также временными диаграммами токов и напряжений на фиг.4 и 5.

На фиг.6а сплошной линией показан путь протекания тока до начала подзаряда конденсатора 10 фазы А. В коммутаторе 3 фазы А включен транзистор 13 и ток проходит через обратный диод транзистора 12 и включенный транзистор 13. В коммутаторе 3 фазы С включен транзистор 12 и ток проходит через обратный диод транзистора 13 и включенный транзистор 12. (Вместо транзистора 13 в фазе А может быть включен транзистор 11, а в фазе С вместо транзистора 12 может быть включен транзистор 14. Этот вариант включения транзисторов равноценен предыдущему и на практике может использоваться для обеспечения равномерной загрузки транзисторов коммутатора.)

Перед первой из двух вышеупомянутых коммутаций (с фазы А на фазу В), в момент времени, соответствующий углу (-–) (см. фиг.5), фазосмещающее устройство 15 фазы А выключает транзистор 13 (или 11), что приводит к включению конденсатора 10 в фазе А с полярностью, противоположной току фазы А. Начинается подзаряд конденсатора 10 фазы А. Путь тока подзаряда (показан штриховой линией на фиг 6а): обратный диод транзистора 12 – “плюс” конденсатора 10 – “минус” конденсатора 10 – обратный диод транзистора 14. На интервале (-–)…(-) конденсатор 10 заряжается полным током фазы А (подзаряжается).

В момент времени, соответствующий углу (-), фазосмещающее устройство 21 включением тиристора 26 начинает коммутацию тиристора 25. Одновременно фазосмещающее устройство 15 коммутатора 3 фазы В включает транзисторы 11 и 13, включая конденсатор 10 в фазе В с полярностью, совпадающей с током фазы В. Контур коммутации показан на фиг.6б. Результирующие токи в фазах определяются суперпозицией токов на фиг.6а и 6б. На интервале (-)… (см. фиг.5) конденсатор 10 фазы А заряжается спадающим до нуля током отключаемого тиристора 25, а конденсатор 10 фазы В разряжается нарастающим током фазы В. В момент времени, соответствующий углу =+ (см. фиг.5), фазосмещающее устройство 15 фазы В выключает транзистор 11. На этом коммутация фаз А и В заканчивается. Контур тока после коммутации показан на фиг.6в.

При второй из двух вышеупомянутых коммутаций (с тиристора 24 фазы С на тиристор 22 фазы А, см. фиг.5) фазосмещающие устройства 15 и 21 осуществляют аналогичные описанным выше операции, но со сдвигом на угол /3.

В момент времени, соответствующий углу (/3-–), выключают транзистор 12 коммутатора 3 в фазе С, что приводит к включению конденсатора 10 в фазе С с полярностью, противоположной току фазы С. На интервале (/3-–)…(/3-) происходит подзаряд этого конденсатора. В момент времени, соответствующий углу (/3-), включают тиристор 22 и транзисторы 12 и 14 фазы А, вновь включая конденсатор 10 в фазе А, но с полярностью, совпадающей с током фазы А. На интервале (/3-)…(/3++) конденсатор 10 фазы С продолжает заряжаться, а конденсатор 10 фазы А разряжается. В момент времени, соответствующий углу (/3++), конденсатор 10 в фазе А отключают, выключая транзистор 14 коммутатора 3 в фазе А. На этом коммутация фаз С и А заканчивается.

Управление транзисторами 11, 12, 13, 14 коммутаторов 3 в фазах В и С осуществляют аналогично, но со сдвигом 2/3 и 4/3 соответственно. Порядок переключения транзисторов изображен на фиг.7, где через А11…А14 обозначены импульсы включения транзисторов 11…14 коммутатора 3 фазы А, В11…В14 – то же в фазе В и С11…С14 – то же для фазы С.

Обратимся снова к фиг.4б, на которой изображены временные диаграммы напряжений на конденсаторах 10 в фазах А, В и С: Еа, Eb и Ес. Видно, что в промежутке времени между каждой парой однополярных импульсов ток в соответствующей фазе (см. фиг.4в) равен нулю, т.е. заряд и напряжение конденсатора 10 не изменяется. Это позволяет наряду с вышеописанным порядком включения транзисторов 11, 12, 13, 14 применять несколько видоизмененный порядок их включения, проиллюстрированный фиг.8, где обозначения такие же, как на фиг.7.

Первый и второй варианты включения транзисторов практически одинаковы, но применение второго варианта позволяет упростить управление коммутаторами.

Вышеизложенное позволяет сформулировать часть существенных признаков заявляемого технического решения, отличающих его от известного технического решения [2]:

1. Использование при каждой коммутации тока, происходящей между парой тиристоров 22…27 инвертора 2 не одного источника вспомогательных ЭДС, как в известном техническом решении [2], а двух одновременно действующих, как в режимах малых, так и полных фазных токов электродвигателя, вспомогательных ЭДС (двух коммутаторов), что улучшает технико-экономические показатели привода за счет:

– уменьшения угла (сокращения интервала) коммутации и, соответственно, угла опережения,

– большего значения задержки момента перехода через ноль результирующей ЭДС коммутации относительно момента перехода через ноль основной ЭДС коммутации (т.е. без добавленных вспомогательных ЭДС).

2. Независимость величины и длительности вспомогательных ЭДС (напряжения на конденсаторе 10) от величины фазных ЭДС электродвигателя 5, что позволяет:

– обеспечить коммутацию тиристоров 22…27 инвертора 2 при отсутствии фазных ЭДС электродвигателя 5 или их недостаточной величине (что имеет место при трогании электродвигателя) и, тем самым, создать условия для плавного, без прерывания тока, пуска и разгона электродвигателя 5;

– обеспечить возможность совместной работы электродвигателя 5 с питающими его инверторами 2 в режимах, близких к оптимальным, за счет обеспечения возможности изменения угла сдвига между током и напряжением фаз электродвигателя 5 от опережающего до отстающего.

Дополнительным важным преимуществом использования коммутаторов 3 является возможность приблизить форму фазных токов электродвигателя 5 к синусоиде, что улучшает технико-экономические показатели электропривода.

На фиг.9 представлена схема высоковольтного преобразователя с коммутаторами 3 по схеме однофазного моста применительно к электродвигателю 5 с одной трехфазной обмоткой 4, позволяющая получить приближенную к синусоиде форму фазных токов электродвигателя 5. Схема на фиг.9 отличается от схемы, представленной на фиг.2, тем, что в устройства 8 управления каждого коммутатора 3 дополнительно введены блок 30 задания тока и блок 31 модуляции ширины импульсов управления транзисторами 11… 14 коммутатора 3. Фазосмещающее устройство 32 коммутатора 3 снабжено дополнительным входом, соединенным с выходом соответствующего блока 31 модуляции ширины импульсов управления транзисторами 11…14. Соответственно логический автомат фазосмещающего устройства 32 имеет дополнительный узел обработки сигнала, поступающего с блока 31 модуляции ширины импульсов, который принципиально устроен аналогично типовому блоку, реализующему модуляцию ширины импульса (Pulse Width Modulation – PWM). Один вход блока 31 соединен с соответствующим датчиком 6 тока фазы электродвигателя 5, а другой вход соединен с выходом блока 30 задания тока.

На фиг.10 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип управления коммутаторами 3, позволяющий получить приближенную к синусоиде форму фазных токов электродвигателя 5. На фиг.10а показаны фазные напряжения Ua, Ub и Uc, а также результирующие ЭДС коммутации (-Uab+Еа-Eb), (-Ubc+Eb-Ес) и (-Uca+Ее -Еа). Вид вспомогательных ЭДС в фазах А, В и С: Еа, Eb и Ес – представлен на фиг.10б.

На фиг.10в представлены кривые мгновенных значений фазных токов ia, ib, ic, построенные с учетом действия результирующих ЭДС коммутации. Приближением к синусоидальной является трапецеидальная форма фазных токов ia, ib, ic, достигаемая за счет увеличения угла коммутации и за счет линеаризации тока коммутации, что обеспечивается управлением транзисторами 11…14 по методу модуляции ширины импульса (PWM).

Работа заявляемого устройства, представленного на фиг.9, отличается от работы устройства на фиг.2 только тем, что на интервале коммутации фазосмещающие устройства 32 обеспечивают включение конденсаторов 10 в цепь фазных токов с полярностью и на время, задаваемые блоком 31, который отрабатывает соответствие фактического тока фазы току уставки, задаваемому блоком 30.

Применительно к изложенному выше дополнительному преимуществу использования коммутаторов 3 существенным признаком заявляемого технического решения, отличающим его от известного технического решения [2], является использование при каждой коммутации тока, происходящей между парой тиристоров 22…27 инвертора 2, двух одновременно действующих коммутаторов 3, транзисторами 11…14 которых управляют по методу модуляции ширины импульса, что позволяет получить трапецеидальную форму фазных токов, достигаемую за счет увеличения угла коммутации и за счет линеаризации тока коммутации. Трапецеидальная форма тока обеспечивает значительное уменьшение содержания высших гармонических в кривой тока, что улучшает технико-экономические показатели электропривода.

В соответствии с предложенным техническим решением коммутаторы 3 могут быть выполнены в виде трехуровнего однофазного модуля (фиг.11a). Выбор конкретной схемы зависит от критериев, принятых при проектировании электропривода.

В соответствии с предложенным техническим решением в случае, когда уровень рабочих напряжений элементов коммутатора недостаточен, источники вспомогательных ЭДС могут быть образованы последовательным соединением двух или более коммутаторов (см. фиг.11б).

Таким образом, при вышеуказанном исполнении первого варианта заявляемого устройства обеспечивается плавный пуск электродвигателя 5, начиная с нулевой скорости, обеспечивается возможность совместной работы электродвигателя 5 с питающими его инверторами 2 в режимах, близких к оптимальным, за счет обеспечения возможности изменения угла сдвига между током и напряжением фаз электродвигателя 5 от опережающего до отстающего, а также за счет обеспечения возможности приближения формы фазных токов электродвигателя 5 к синусоиде.

На фиг.12 представлена схема второго варианта заявляемого высоковольтного преобразователя частоты применительно к электродвигателю 5 с одной трехфазной обмоткой 4.

Силовая часть высоковольтного преобразователя (см. фиг.12) состоит из источника 1 регулируемого постоянного тока, к которому подключен коммутируемый нагрузкой трехфазный мостовой тиристорный инвертор 2, к фазным выходам которого подключены 3 вывода (начала) фазных обмоток трехфазной обмотки 4 электродвигателя 5, а к 3-м другим выводам (концам) фазных обмоток подключены 3 вывода переменного тока от коммутатора 33, состоящего из конденсатора 34 и 6-ти IGBT-транзисторов 35, 36, 37, 38, 39, 40, соединенных по схеме трехфазного моста. Конденсатор 34 подключен к выводам постоянного тока коммутатора 33.

Управляющая часть высоковольтного преобразователя (см. фиг.12) состоит из устройства 8 управления коммутатором 33 и устройства 9 управления инвертором 2.

Устройство 8 управления коммутатором 33 состоит из фазосмещающего устройства 41, вырабатывающего импульсы включения и выключения IGBT-транзисторов 35, 36, 37, 38, 39, 40, первого сумматора 16 и второго сумматора 17, регулятора 18 напряжения, датчика 19 напряжения конденсатора 34 и блока 20 задания величины вспомогательной ЭДС.

Устройство 9 управления инвертором 2 аналогично устройству 9 на фиг.2.

В устройстве 8 (управления коммутатором 33) первый и второй входы первого сумматора 16 соединены соответственно с выходом датчика 19 напряжения конденсатора 34 и с выходом блока 20 задания величины вспомогательной ЭДС; выход первого сумматора 16 соединен с входом регулятора 18 напряжения. Первый и второй входы второго сумматора 17 соединены соответственно с выходом регулятора 18 напряжения и с выходом блока 28 задания угла опережения; выход второго сумматора 17 соединен с одним входом фазосмещающего устройства 41, другой вход которого соединен с выходом преобразователя синхросигналов в последовательность опорных функций, входящего в состав блока 29 синхронизации. На фиг.13 представлена схема второго варианта заявляемого высоковольтного преобразователя частоты применительно к электродвигателю 5 с несколькими трехфазными обмотками 4.

Работа второго варианта заявляемого устройства описана с использованием фиг.12, 14, 15, 16.

Алгоритм управления транзисторами 35, 36, 37, 38, 39, 40 коммутатора 33 описан на примере коммутации тиристоров 25 (отключаемый тиристор, фаза А) и 26 (включаемый тиристор, фаза В) инвертора 2 и проиллюстрирован схемами протекания контурных токов в процессе коммутации по цепи: инвертор 2 – электродвигатель 5 – коммутатор 33, представленными на фиг.14, а также временными диаграммами токов и напряжений на фиг.15 и 16.

На фиг.15а представлена кривая результирующей ЭДС коммутации, полученная сложением основной ЭДС коммутации (-Uab) с напряжением Е конденсатора 34. На фиг.15б представлены кривые токов ia и ib, совмещенные на одной диаграмме. За начало отсчета угла =t принята точка пересечения основной ЭДС коммутации (-Uab) с осью абсцисс.

На фиг.14а показан путь тока для момента, предшествующего коммутации. На фиг.15б соответствующий этому моменту угол обозначен (-–). Направление тока здесь и далее показано стрелками. В инверторе 2 ток проводят тиристоры 25 (фаза А) и 24 (фаза С). В коммутаторе 33 ток проводят ток диод транзистора 38 и транзистор 40 В этот момент времени открывающие потенциалы управления поданы на транзисторы 36, 38, 40, но транзисторы 36 и 38 ток не проводят (транзистор 38 закрыт – ток проходит через его обратный диод). Здесь и в дальнейшем транзисторы с открывающими потенциалами управления обведены кружком.

Начало процесса коммутации задается подачей управляющего потенциала на тиристор 26 для момента времени, которому соответствует угол (-) (см. фиг 15б). Включение тиристора 26 приводит к образованию контура коммутации, показанного на фиг.14б. В контуре напряжение Е конденсатора 34 добавляется к основной ЭДС коммутации (-Uab), ускоряя процессы спада тока в тиристоре 25 и нарастания тока в тиристоре 26. Конденсатор 34 при этом несколько разряжается, теряя часть своего заряда.

В соответствии с алгоритмом, принятым для рассматриваемого второго варианта предложенного технического решения, при угле (-), приблизительно соответствующем моменту равенства токов коммутации (ia=ib) транзистор 40 выключают, одновременно подавая открывающий потенциал управления на транзистор 37.

Следует отметить, что результирующий ток в цепи: инвертор 2 – электродвигатель 5 – коммутатор 33 для интервала (-)…(-) определяется как суперпозиция токов на фиг.14а и 14б.

В результате отключения транзистора 40 контур тока, изображенный на фиг.14а, сменяется контуром тока на фиг.14в. В коммутаторе 33 ток инвертора 2 проходит по обратным диодам транзисторов 37 и 38 и конденсатора 34, восполняя заряд конденсатора 34, потерянный на интервале (-)…(-). На интервале (-)… ток тиристора 25 спадает до нуля.

Результирующий ток в цепи: инвертор 2 – электродвигатель 5 – коммутатор 33 на интервале (-)… определяется как суперпозиция токов на фиг.14б и 14в. Величина результирующей ЭДС коммутации становится равной нулю при угле +, где – угол запаса, необходимый для восстановления отключенным тиристором запирающих свойств. Контур прохождения тока по окончании коммутации тиристоров 25 и 26 показан на фиг.14 г.

Значение угла (-) вычисляется в устройстве 8 управления коммутатором 33 исходя из условия равенства заряда, отданного конденсатором 34 на интервале (-)…(-), и заряда, полученного конденсатором 34 на интервале (-)…. Обеспечение баланса заряда конденсатора 34 в ходе коммутации позволяет по окончании коммутации восстановить напряжение на конденсаторе 34 до уровня Е, соответствующего времени до начала коммутации. Для этого в устройстве 8 реализована цепь коррекции (см. фиг.12), выполненная аналогично цепи коррекции на фиг 2. Она включает в себя блок 20 задания требуемого уровня напряжения Е конденсатора 34, датчик 19, измеряющий фактическое значение напряжения конденсатора 34, сумматор 16, вычисляющий рассогласование, поступающее на вход регулятора 18, выходной сигнал которого пропорционален требуемому значению угла (-). В сумматоре 17 происходит сложение сигналов, пропорциональных углам и (-), и результирующий сигнал поступает на вход фазосмещающего устройства 41, управляющего включением транзисторов 35…40. Регулятор 18 может быть аналоговым или микропроцессорным.

Для практической реализации величина емкости конденсатора 34 и его напряжение Е выбираются, исходя из конкретных параметров контура коммутации таким образом, чтобы обеспечивались требуемые значения углов и .

На фиг.16 представлены временные диаграммы токов и напряжений в устройстве, реализующем второй вариант предложенного технического решения.

На фиг.16а изображены напряжения электродвигателя 5 и результирующие ЭДС коммутации, на фиг.16б и в – фазные токи и вспомогательные ЭДС коммутации. Временная диаграмма управляющих потенциалов включения транзисторов 35, 36, 37, 38, 39, 40 представлена на фиг.16г.

Для второго варианта заявляемого технического решения существенными признаками, отличающими его от известного технического решения [2], являются:

1. Независимость величины и длительности напряжения на конденсаторе 34 от величины фазных ЭДС электродвигателя 5, что позволяет:

– обеспечить коммутацию тиристоров 22…27 инвертора 2 при отсутствии фазных ЭДС электродвигателя 5 или их недостаточной величине (что имеет место при трогании электродвигателя) и, тем самым, создать условия для плавного, без прерывания тока, пуска и разгона электродвигателя 5;

– обеспечить возможность совместной работы электродвигателя 5 с питающими его инверторами 2 в режимах, близких к оптимальным, за счет обеспечения возможности изменения угла сдвига между током и напряжением фаз электродвигателя 5 от опережающего до отстающего.

2. Построение схемы коммутатора 33 в виде трехфазной мостовой схемы, с одним конденсатором 34, работающим в очень экономичном режиме (частичный разряд – заряд в течение одного интервала коммутации) и создающим дополнительную коммутирующую ЭДС для каждой коммутации тиристоров 22…27 инвертора 2, что позволяет улучшить технико-экономические показатели привода за счет:

– увеличения задержки момента перехода через ноль результирующей ЭДС коммутации относительно момента перехода через ноль основной ЭДС коммутации,

– уменьшения угла (интервала) коммутации и, соответственно, угла опережения.

Таким образом, при вышеуказанном исполнении второго варианта заявляемого устройства обеспечивается плавный пуск электродвигателя 5, начиная с нулевой скорости, обеспечивается возможность совместной работы электродвигателя 5 с питающими его инверторами 2 в режимах, близких к оптимальным, за счет обеспечения возможности изменения угла сдвига между током и напряжением фаз электродвигателя 5 от опережающего до отстающего.

На фиг.17 и 18 приведены результаты математического моделирования электропривода с заявляемым высоковольтным преобразователем на программном комплексе ЕЛТРАН.

Время дано в миллисекундах, напряжение в вольтах и ток в амперах. Рассмотрена машина номинальной частоты 300 Гц, входной ток преобразователя частоты 1200 А. Амплитуда противоЭДС фазы обмотки двигателя 3900 В. Сдвиг между фазным током и противоЭДС фазы 15°.

На фиг.17 представлены осциллограммы для первого варианта преобразователя частоты с тремя дополнительными источниками в фазах. Напряжение дополнительного источника 3400 В.

На фиг.17а показаны графики фазных токов iA, iв, ic и напряжение UA фазы А (в масштабе 0.5).

На фиг.17б показан ток конденсатора дополнительного коммутатора фазы А Icon (iC_A).

На фиг.17в показаны напряжения фазных коммутаторов фазы А и В e_А и ев (UKA, UKB).

На фиг.17г показаны фазный ток iA и фазное напряжение UA машины (фаза А).

На фиг.18 представлены осциллограммы для второго варианта преобразователя частоты с трехфазным дополнительным источником напряжения. Напряжение дополнительного источника 6800 В.

На фиг.18а показаны графики фазных токов iA, iB, iC и напряжение UA фазы А (в масштабе 0,5).

На фиг.18б показан ток конденсатора дополнительного коммутатора фазы А Icon (IC_А).

На фиг.18в показано линейное напряжение дополнительного коммутатора фазы EAB (UKAB).

На фиг.18г показаны фазный ток iA и фазное напряжение UA машины (фаза А).

Источники информации

1. Справочник по преобразовательной технике. Под ред. И.М.Чиженко. Киев: Техника, 1978, стр.52, рис.2-17.

2. Patent US 4713743, Int. C1.4 H 02 M 7/521, Dec. 15, 1987, Load-commutated inverter and synchronous motor drive embodying the same (Инвертор, коммутируемый нагрузкой, и привод с синхронным электродвигателем, включающий в себя упомянутый инвертор). Alberto Abbondanti.

Формула изобретения

1. Высоковольтный преобразователь частоты для пуска и регулирования скорости мощного электродвигателя, имеющего одну или несколько трехфазных обмоток, включающий в себя источник регулируемого постоянного тока; трехфазный мостовой коммутируемый нагрузкой инвертор, подключенный к упомянутому источнику и состоящий из шести одинаковых полууправляемых вентилей (например, тиристоров); источники вспомогательных ЭДС, подключенные к выводам переменного тока упомянутого инвертора последовательно с фазами трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя; датчики токов и напряжений и устройства управления инвертором и источниками вспомогательных ЭДС; при этом устройство управления инвертором включает в себя фазосмещающее устройство, блок задания угла опережения, выход которого соединен с одним входом фазосмещающего устройства, и блок синхронизации относительно напряжений электродвигателя, включающий в себя преобразователь синхросигналов в последовательность опорных функций, выход которого соединен с другим входом фазосмещающего устройства, отличающийся тем, что число упомянутых инверторов, равно числу трехфазных обмоток электродвигателя, причем инверторы подключены к источнику регулируемого постоянного тока последовательно; каждый из источников вспомогательных ЭДС выполнен в виде коммутатора с двумя выводами переменного тока, первый вывод подключен к соответствующему выводу переменного тока соответствующего вышеупомянутого инвертора, второй вывод подключен к выводу соответствующей фазы соответствующей трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя, и два вывода постоянного тока, к которым подключен упомянутый конденсатор; в устройства управления вентилями каждого коммутатора введены: фазосмещающее устройство коммутатора, первый и второй сумматоры, регулятор напряжения, датчик напряжения соответствующего конденсатора, блок задания величины вспомогательной ЭДС; первый и второй входы первого сумматора соединены соответственно с выходом датчика напряжения конденсатора и с выходом блока задания величины вспомогательной ЭДС; выход первого сумматора соединен с входом регулятора напряжения; первый и второй входы второго сумматора соединены соответственно с выходом регулятора напряжения и с выходом блока задания угла опережения; выход второго сумматора соединен с одним входом фазосмещающего устройства коммутатора, другой вход которого соединен с выходом преобразователя синхросигналов в последовательность опорных функций.

2. Высоковольтный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в устройства управления вентилями каждого коммутатора дополнительно введены блок задания тока и блок модуляции ширины импульсов управления вентилями коммутатора, а каждое фазосмещающее устройство коммутатора снабжено дополнительным входом, соединенным с выходом соответствующего блока модуляции ширины импульсов управления вентилями, один вход которого соединен с соответствующим датчиком тока фазы электродвигателя, а другой вход соединен с выходом блока задания тока.

3. Высоковольтный преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что коммутатор содержит конденсатор и четыре одинаковых полностью управляемых вентиля, обладающих обратной проводимостью, соединенных по схеме однофазного моста.

4. Высоковольтный преобразователь по пп.1 и 2, отличающийся тем, что коммутатор содержит два конденсатора, два диода и четыре одинаковых полностью управляемых вентиля, обладающих обратной проводимостью, соединенных по схеме трехуровнего однофазного модуля.

5. Высоковольтный преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что каждый из источников вспомогательных ЭДС образован последовательным соединением двух и более коммутаторов.

6. Высоковольтный преобразователь частоты для пуска и регулирования скорости мощного электродвигателя, имеющего одну или несколько трехфазных обмоток, включающий в себя источник регулируемого постоянного тока; трехфазный мостовой коммутируемый нагрузкой инвертор, подключенный к упомянутому источнику и состоящий из шести одинаковых полууправляемых вентилей (например, тиристоров); источники вспомогательных ЭДС, подключенные к выводам переменного тока упомянутого инвертора последовательно с фазами трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя; датчики токов и напряжений и устройства управления инвертором и источниками вспомогательных ЭДС; при этом устройство управления инвертором включает в себя фазосмещающее устройство, блок задания угла опережения, выход которого соединен с одним входом фазосмещающего устройства и блок синхронизации относительно напряжений электродвигателя, включающий в себя преобразователь синхросигналов в последовательность опорных функций, выход которого соединен с другим входом фазосмещающего устройства, отличающийся тем, что число упомянутых инверторов, равно числу трехфазных обмоток электродвигателя, причем инверторы подключены к источнику регулируемого постоянного тока последовательно; источники вспомогательных ЭДС выполнены в виде коммутаторов, число которых равно числу трехфазных обмоток упомянутого электродвигателя; каждый из коммутаторов состоит из конденсатора и 6-ти одинаковых полностью управляемых вентилей, обладающих обратной проводимостью, соединенных по схеме трехфазного моста, к двум выводам постоянного тока которого подключен упомянутый конденсатор; к первому, второму и третьему выводам переменного тока упомянутого трехфазного моста подключены соответственно концы первой, второй и третьей фаз соответствующей трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя, причем начала первой, второй и третьей фаз соответствующей трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя подключены к соответствующим выводам переменного тока соответствующего инвертора; в устройства управления вентилями каждого коммутатора введены фазосмещающее устройство коммутатора, первый и второй сумматоры, регулятор напряжения, датчик напряжения соответствующего конденсатора, блок задания величины вспомогательной ЭДС; первый и второй входы первого сумматора соединены соответственно с выходом датчика напряжения конденсатора и с выходом блока задания величины вспомогательной ЭДС; выход первого сумматора соединен со входом регулятора напряжения; первый и второй входы второго сумматора соединены соответственно с выходом регулятора напряжения и с выходом блока задания угла опережения; выход второго сумматора соединен с одним входом фазосмещающего устройства коммутатора, другой вход которого соединен с выходом преобразователя синхросигналов в последовательность опорных функций.

РИСУНКИ