Патент на изобретение №2392729

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ГЕНЕРАТОРНЫМ ТОРМОЖЕНИЕМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах управления антеннами кругового обзора, в главных приводах грузоподъемных механизмов и в оборудовании для создания нагружающих моментов при испытаниях следящих систем. Техническим результатом является повышение надежности работы преобразователя энергии при колебании напряжения питающей сети. В преобразователе энергии электропривода с генераторным торможением силовой выпрямитель выполнен на базе диодно-транзисторных ключей. Чтобы обеспечить надежную работу транзисторов выпрямителя в условиях колебаний напряжения питающей сети, применена схема формирования импульсов управления транзисторами, фаза и длительность которых определяется текущими значениями параметров питающей сети. Кроме того, применен регулятор длительности импульсов управления транзисторами, что позволяет задавать значения энергии, поступающей в сеть. 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к силовым частям следящих электроприводов, в которых преобразователь энергии должен осуществлять передачу накопленной энергии маховых масс и возмущающих (активно нагружающих) моментов на валу привода в питающую сеть с целью решения задачи энергосбережения.

Изобретение может найти применение в системах автоматического управления антеннами кругового обзора в главных приводах грузоподъемных механизмов и в оборудовании, предназначенном для создания нагружающих моментов при испытаниях следящих систем.

Известно устройство для питания двигателей следящих систем, содержащее выпрямитель из диодно-транзисторных пар, звено постоянного напряжения и инвертор. Для управления транзисторами выпрямителя в режиме рекуперации применены датчики токов питающей сети и регуляторы токов, выходы которых связаны через драйверы со входами транзисторов выпрямителя (Следящие приводы. Т.2/ Под ред. д.т.н., профессора Б.К.Чемоданова, стр.690).

Недостатками этих известных устройств являются сложность и достаточно высокая стоимость.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для питания асинхронного двигателя, содержащее клеммы А, В, С для подключения трехфазной сети, трехфазный мостовой выпрямитель с положительной и отрицательной шинами и с диодно-транзисторными парами, средние точки которых подключены к клеммам А, В, С, ограничитель токов выпрямителя, состоящий из параллельно включенных резистора и коммутатора, звено постоянного напряжения из конденсаторов, инвертор с выходами для подключения электродвигателя и измерительный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к клеммам А и В (Каталог продукции и применений-99, часть 1, Корпорация Триол, 1999 г.).

Недостатком указанного устройства, выбранного за прототип, является невысокая надежность работы выпрямителя в режиме рекуперации энергии, связанная с применением сложной системы формирования импульсов управления транзисторами выпрямителя.

Целью изобретения является повышение надежности работы преобразователя энергии при колебаниях напряжения питающей сети за счет жесткой связи фазы и длительности импульсов управления транзисторами выпрямителя с параметрами фазных напряжений сети.

Указанная цель достигается тем, что введены резисторная звезда со средней точкой, три инвертирующих повторителя напряжений, первый и второй трехфазные выпрямители, регулятор напряжения, шесть узлов сравнения, три формирователя импульсов, два измерительных трансформатора, первичные обмотки которых подключены соответственно к клеммам В и С, С и А, а вторичные обмотки всех измерительных трансформаторов соединены в треугольник с клеммами а, b, с, которые подключены к резисторной звезде, при этом управляющие входы инвертирующих повторителей напряжений соединены с клеммами а, b, с, которые соединены с первым трехфазным выпрямителем, а выходы инвертирующих повторителей напряжений подсоединены ко второму трехфазному выпрямителю, при этом выходы первого и второго выпрямителей соединены между собой и через регулятор напряжения связаны с опорными входами узлов сравнения, при этом управляющие входы первого, второго и третьего узлов сравнения подключены к клеммам а, b, с, а выходы этих узлов сравнения подключены через формирователи импульсов к управляющим входам транзисторов трехфазного мостового выпрямителя из диодно-транзисторных пар, коллекторы которых соединены с положительной шиной, управляющие входы четвертого, пятого и шестого узлов сравнения подключены к выходам инвертирующих повторителей напряжений, а выходы этих узлов сравнения подключены через формирователи импульсов к управляющим входам транзисторов диодно-транзисторных пар, эмиттеры которых соединены с отрицательной шиной, при этом средняя точка резисторной звезды соединена с общей шиной инвертирующих повторителей напряжения и узлов сравнения, а коммутатор выполнен с односторонней проводимостью на базе тиристора, анод которого подключен к положительной шине трехфазного мостового выпрямителя.

На фигуре 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства.

На фигуре 2 (пример) показаны напряжения U_a и U_a* на входах узлов сравнения.

На фигуре 3 приведена электрическая схема получения U_оп.

На фигуре 4 приведена электрическая схема узла сравнения.

На фигуре 5 (пример) показаны импульсы напряжений U_yc1, U_yc4 на выходах узлов сравнения.

Устройство содержит клеммы 1, 2, 3 для подключения шин А, В и С промышленной трехфазной сети переменного тока, например, сети 220 (380) В, частоты 50 (400) Гц; управляемый трехфазный мостовой выпрямитель 4 из диодно-транзисторных пар (5, 6), (7, 8), (9, 10); ограничитель токов 11 выпрямителя 4 в составе ограничительного резистора 12 и коммутатора 13 с односторонней проводимостью в виде тиристора; звено постоянного напряжения 14 из конденсаторов 15; инвертор 16 из транзисторно-диодных полумостов, средние точки которых образуют выходные клеммы 17, 18, 19 для подключения двигателя; три измерительных трансформатора 20, 21, 22, вторичные обмотки которых образуют треугольник с клеммами 23, 24, 25; резисторную звезду 26 со средней точкой 27, три инвертирующих повторителя напряжений 28, 29, 30; два трехфазных выпрямителя 31 и 32; регулятор напряжения 33; шесть узлов сравнения 34, 35, 36, 37, 38, 39; три формирователя импульсов управления 40, 41, 42. При этом средняя точка 27 резисторной звезды 26 соединена с общей шиной 43 инвертирующих повторителей напряжений 28, 29, 30 и узлов сравнения 34, 35, 36, 37, 38, 39, а анод 45 коммутатора 13 соединен с выходом 45 трехфазного мостового выпрямителя 4 из диодно-транзисторных пар.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Напряжения U_AB, U_BC и U_CA питающей сети поступают на входы 1, 2, 3 (клеммы А, В, С) преобразователя энергии и с помощью выпрямителя 4 преобразуются в напряжение постоянного тока U_выпр, которое через резистор 12 (R) заряжает конденсатор 15 (С) звена постоянного напряжения 14 (ЗПН). Коммутатор 13 (К) включается и остается открытым тогда, когда напряжение U_зпн на конденсаторе 15 имеет значение (0,7÷0,8)U_выпр.

Напряжение питающей сети поступает на первичные обмотки трансформаторов 20, 21 и 22 (T1, T2 и Т3), вторичные обмотки которых соединены по схеме «треугольник» с клеммами 23, 24, 25 (a, b, с), к которым подключены: резисторная звезда 26 (РЗ), входы трех инвертирующих повторителей напряжения 28, 29, 30 и входы трехфазного выпрямителя 31 (В1). Входы второго трехфазного выпрямителя 32 (В2) подключены к выходам инвертирующих повторителей напряжения 28, 29, 30.

Резисторная звезда 26 имеет среднюю точку 27, которая соединена с общей шиной 43. Поэтому напряжения на клеммах а, b и с, измеренные относительно шины 43, являются фазными напряжениями U_a, U_b и U_c треугольника с клеммами а, b и с. Напряжения U_a*, U_b* и U_c*, которые формируются на выходах инвертирующих повторителей напряжения 28, 29, 30, имеют амплитуды, равные амплитудам напряжений U_a, U_b и U_c, при этом фазы напряжений U_a*, U_b* и U_c* отличаются от фаз напряжений U_a, U_b и U_c на 180 электрических градусов соответственно.

Напряжения U_a, U_b и U_c, совпадающие по фазе соответственно с напряжениями U_A, U_B и U_C, питающей сети являются исходными напряжениями, необходимыми для формирования импульсов управления транзисторами 5÷10 выпрямителя 4, осуществляющими протекание токов, в фазы сети U_A, U_B, U_C с целью обеспечения режима рекуперации.

Использование напряжений U_a, U_b, U_c, U_a*, U_b*, U_c* и двух выпрямителей 31 и 32 обеспечивает получение опорного напряжения U_оп*, значение которого определяется параметрами напряжений U_AB, U_BC и U_CA.

На фиг.2 для примера показано напряжение U_a, которое формируется с помощью фазного резистора трехфазной резисторной звезды 26 и измеряется относительно общей шины 43, также приведено фазное напряжение U_a*, которое формируется инвертирующим повторителем напряжения 28. (На фиг.2 f_c – частота питающей сети).

На фиг.3 приведена электрическая схема, которая показывает, как можно реализовать получение опорного напряжения U_оп. На этом чертеже напряжения U_a, U_b и U_c поступают на аноды трех диодов выпрямителя 31 (В1), катоды которых объединены, и на входы инвертирующих повторителей напряжений (ИНН) 28, 29, 30. Выходные напряжения U_a*, U_b* и U_c* этих инвертирующих повторителей напряжений поступают на аноды трех диодов выпрямителя 32 (В2), катоды которых соединены между собой и с катодами диодов выпрямителя 31 (В1).

На выходах выпрямителей 31 (В1) и 32 (В2) формируется напряжение U_оп*, преобразуемое в регуляторе напряжения 33 (РН) в U_оп, которое измеряется относительно общей шины 43.

На фиг.4 показана электрическая схема узла сравнения (УС). По этой схеме выполнены все узлы сравнения 34, 35, 36, 37, 38, 39.

Узел сравнения имеет вход «оп» для опорного напряжения U_оп, вход «упр» для управляющего напряжения U_упр и общую шину 43. Узел сравнения выполняется на базе операционного усилителя, например, типа 140УД6. На вход «оп» узла сравнения поступает напряжение U_оп с выхода регулятора напряжения РН. На вход «упр» поступает одно из напряжений U_a, U_b, U_c, U_a*, U_b* и U_c*.

На фиг.5 в качестве примера показаны напряжения U_a и U_a* и U_оп, которые поступают на узлы сравнения 34 и 37.

По результатам сравнения сигналов на входах этих узлов сравнения на их выходах формируются импульсы напряжения прямоугольной формы. Требуемая длительность импульсов управления транзисторами 5÷10 определяется регулятором напряжения 33.

Из технической литературы известно, что работа устройств, которые должны осуществлять передачу энергии из звена постоянного напряжения в питающую сеть, осуществляется без аварии в силовом выпрямителе тогда, когда на управляющие входы силовых полупроводниковых ключей выпрямителя В поступают импульсы напряжения с длительностью не более 120 электрических градусов и с фазой, строго привязанной к фазным напряжениям питающей сети U_A, U_B и U_C.

Предлагаемое устройство обеспечивает подачу на управляющие входы узлов сравнения 34÷39 напряжений U_a, U_b, U_c, U_a*, U_b* и U_c*, которые образуют шестифазную звезду, при этом исходные напряжения U_a, U_b и U_c (см. фиг.1) совпадают по фазе с фазными напряжениями U_A, U_B и U_C питающей сети с линейными напряжениями U_AB, U_BC и U_CA. Это достигается применением трех измерительных трансформаторов 20, 21, 22 и резисторной звезды 26 со средней точкой 27, соединенной с общей шиной 43 инвертирующих преобразователей напряжений 28-30 и узлов сравнения 34-39.

На фиг.5 положительные импульсы напряжений U_уc1, U_уc4 на выходах узлов сравнения 34 и 37 показаны с шириной 120 электрических градусов, что обеспечено выбором |U_оп|=0,5U_макс, где U_макс является амплитудой синусоидальных напряжений U_a, U_b, U_c, U_a*, U_b* и U_c*.

Напряжения с выходов узлов сравнения 34÷39, пройдя через формирователи импульсов управления 40, 41, 42 (драйверы по современной терминологии), открывают транзисторы 5÷10. При этом открывание этих транзисторов приведет к поступлению в питающую сеть энергии, накопленной конденсаторами звена постоянного напряжения 14 в результате работы в генераторном режиме двигателя электропривода (режим торможения маховых масс на валу электропривода или противодействие возмущающим моментам, стремящимся разогнать привод сверх заданной скорости, например ветер, дисбаланс).

В тех случаях, когда энергия генераторного режима невелика, целесообразно уменьшить угол открывания транзисторов выпрямителя 4. Для этого с помощью регулятора напряжения 33 устанавливают |U_оп|>0,5|U_макс|. При |U_оп|=|U_макс| возврат энергии в сеть осуществляться не будет, так как транзисторы выпрямителя 4 будут закрыты.

Для того чтобы в режиме рекуперации энергии в сеть токи, протекающие по открытым транзисторам выпрямителя 4, имели конечное расчетное значение, в контур протекания этих токов включен ограничительный резистор 12.

При подаче напряжений питания резистор 12 ограничивает токи в диодах выпрямителя 4 и конденсаторе 15. В режиме рекуперации, когда напряжение U_ЗПН>U_выпp, тиристор 13 не может проводить ток разряда конденсатора 15 (ток рекуперации) и ток рекуперации протекает через резистор 12 (R), а его значение определяется по формуле (U_ЗПН-U_выпр)/R. В этом случае осуществляется автоматическое управление значением тока рекуперации, протекающего по открытым транзисторам выпрямителя 4, при этом значение этого тока тем больше, чем больше разность U_ЗПН-U_выпр.

Когда напряжение на конденсаторе 15 упадет до значений U_ЗПН-U_выпр, тиристор 13 откроется и конденсатор 15 и инвертор 16 будут питаться током, протекающим через тиристор 13.

Известно, что надежная работа преобразователя энергии в режиме рекуперации энергии в сеть зависит от точности формирования фазы и длительности импульсов управления транзисторами выпрямителя 4.

Если формировать эти импульсы по жесткой программе, то при колебаниях значений напряжений и частоты питающей сети возможны режимы работы выпрямителя с короткими замыканиями линейных напряжений U_AB, U_BC и U_CA через открытые транзисторы 5-10.

Если ограничивать углы открывания транзисторов 5÷10 с учетом разброса значений напряжения и частоты сети, то происходит существенное ограничение значения рекуперируемой энергии.

В предлагаемом устройстве формирование импульсов управления транзисторами 5÷10 строго связано с параметрами напряжений питающей сети.

Например, при изменении значений амплитуды напряжений питающей сети будет происходить изменение амплитуды напряжений U_a, U_b, U_c, U_a*, U_b* и U_c* и одновременно изменение опорного напряжения U_оп. При этом моменты времени начал и концов сравнения фазных напряжений U_a, U_b, U_c, U_a*, U_b* и U_c* с напряжением U_оп и соответственно длительности формируемых импульсов управления для транзисторов 5÷10 не будут претерпевать изменений.

Такое построение преобразователя энергии повышает надежность его работы при колебаниях параметров питающей сети без уменьшения значения предельно возможной мощности (энергии), возвращаемой в питающую сеть.

Собран и испытан макет преобразователя энергии при колебаниях значений параметров сети до 20%. При этом изменения параметров импульсов управления транзисторами выпрямителя 4 не наблюдалось, что подтвердило достижение поставленной цели предлагаемым устройством.

Формула изобретения

Преобразователь энергии электропривода с генераторным торможением, содержащий клеммы А, В, С для подключения трехфазной сети, напряжение которой преобразуется трехфазным мостовым выпрямителем с положительной и отрицательной шинами и с диодно-транзисторными парами, средние точки которых подключены к клеммам А, В, С, в напряжение постоянного тока, ограничитель токов выпрямителя, состоящий из параллельно включенных резистора и коммутатора, который включается напряжением постоянного тока, заряжающим конденсатор звена постоянного напряжения, питающийся током через коммутатор инвертор с выходами для подключения электродвигателя и измерительный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к клеммам А и В, отличающийся тем, что введены резисторная звезда со средней точкой, три инвертирующих повторителя напряжений, первый и второй трехфазные выпрямители, регулятор напряжения, шесть узлов сравнения, три формирователя импульсов, два измерительных трансформатора, первичные обмотки которых подключены соответственно к клеммам В и С, С и А, а вторичные обмотки всех измерительных трансформаторов соединены в треугольник с клеммами а, b, с, которые подключены к резисторной звезде, при этом управляющие входы инвертирующих повторителей напряжений соединены с клеммами а, b, с, которые соединены с первым трехфазным выпрямителем, а выходы инвертирующих повторителей напряжений подсоединены ко второму трехфазному выпрямителю, при этом выходы первого и второго выпрямителей соединены между собой и через регулятор напряжения связаны с опорными входами узлов сравнения, при этом управляющие входы первого, второго и третьего узлов сравнения подключены к клеммам а, b, с, а выходы этих узлов сравнения подключены через формирователи импульсов к управляющим входам транзисторов трехфазного мостового выпрямителя из диодно-транзисторных пар, коллекторы которых соединены с положительной шиной, управляющие входы четвертого, пятого и шестого узлов сравнения подключены к выходам инвертирующих повторителей напряжений, а выходы этих узлов сравнения подключены через формирователи импульсов к управляющим входам транзисторов диодно-транзисторных пар, эмиттеры которых соединены с отрицательной шиной, при этом средняя точка резисторной звезды соединена с общей шиной инвертирующих повторителей напряжения и узлов сравнения, а коммутатор выполнен с односторонней проводимостью на базе тиристора, который подключен к положительной шине трехфазного мостового выпрямителя.

РИСУНКИ