ЧАСТОТНО-ТОКОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД И СПОСОБ КОММУТАЦИИ ВЕНТИЛЕЙ В ЕГО СХЕМЕ
VARIABLE FREQUENCY AND CURRENT ELECTRIC DRIVE AND METHOD OF SWITCHING OF GATES IN ITS CIRCUIT

Изобретение относится к преобразовательной технике, получающей применение в частотно-регулируемом электроприводе.
Происходящее обновление элементной базы расширяет области применения автономных инверторов (АИ) на запираемых (двухоперационных) тиристорах и транзисторных IGBT и MOSFET-модулях. В системах частотно-токового электропривода с асинхронными двигателями (АД) эта тенденция ставит задачей разработку двухзвенного преобразователя частоты (ПЧ), в котором функции источника тока, вместо традиционного варианта АИТ на однооперационных тиристорах в комплекте с коммутирующими конденсаторами и отсекающими диодами выполняет АИ, выполненный на запираемых вентилях, например, IGBT. Ближайший аналог двухзвенного преобразователя частоты выполнен в виде последовательного соединения первого звена - управляемого выпрямителя, получающего питание от 3-фазной сети и второго звена в виде автономного инвертора, выполненного по 3-фазной мостовой схеме на запираемых вентилях с односторонней проводимостью тока, входами присоединенного к выходным полюсам управляемого выпрямителя, а выходами - к нагрузке в виде статорных обмоток двигателя переменного тока, при наличии демпфирующего устройства, имеющего в своем составе 3-фазный мостовой неуправляемый выпрямитель на диодах, входами присоединенный к статорным обмоткам двигателя и подключенным на выходе полярным конденсатором фильтра, который в предлагаемом решении назван демпфирующим конденсатором (см. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. - М.: Изд. «Академия», 2006 г., стр.101, рис.4.11).
Известный способ коммутации вентилей в схемах указанного типа обеспечивает перевод тока нагрузки из одной статорной обмотки электродвигателя переменного тока в другую в результате поочередного включения силовых вентилей в мостовой схеме автономного инвертора в заданные управляющими импульсами промежутки времени длительностью 2π/3 и ограничения возникающих при запирании вентилей коммутационных перенапряжений с помощью полярного конденсатора фильтра.
Существующие варианты исполнения частотно-токовых электроприводов на запираемых вентилях основываются на придании АИН свойств источника тока. Как правило это достигается применением отрицательных обратных связей по выходным токам инвертора, что ведет к усложнению системы электропривода и уменьшению запаса устойчивости. Одним из главных предназначений преобразователя в системах частотно-токового управления служит задание фазы токов статора относительно потокосцеплений ротора АД. Предпочтительным решением данной задачи может оказаться перевод АИН в режим параметрического источника тока, повторяющего известное свойство АИТ задавать фазу выходных токов изменением угла управления вентилей. Практическое решение данной задачи на запираемых вентилях сопряжено с необходимостью плавного проведения коммутаций фазных токов при ограниченном уровне перенапряжений в заданные управляющими импульсами промежутки времени.
Предлагаемая схема предусматривает применение в этих целях специального демпфирующего устройства, в состав которого кроме указанного демпфирующего конденсатора и неуправляемого выпрямителя на диодах введены два коммутирующих транзистора, каждый из которых соединяет в проводящем направлении один из полюсов неуправляемого выпрямителя с одним из входов автономного инвертора. Предлагаемый способ коммутации вентилей в этой схеме реализуется в два этапа, из которых первый начинается подключением заряженного во время предыдущей коммутации демпфирующего конденсатора с помощью коммутирующих транзисторов ко входам автономного инвертора. Результатом служит кратковременное уведение тока нагрузки из цепи работающих силовых вентилей инвертора в цепь частично разряжающегося демпфирующего конденсатора. Второй этап коммутации начинается с запирания коммутирующих транзисторов и обесточенного на первом этапе силового вентиля выходящей из работы статорной обмотки, что приводит к повторному заряду демпфирующего конденсатора под воздействием уменьшающегося до нуля тока этой обмотки с одновременным плавным вытеснением тока нагрузки под воздействием заряжающегося конденсатора в цепь очередного силового вентиля вступающей в работу обмотки статора.
Получаемый от применения данного решения технический результат состоит: 1) в упрощении системы частотно-токового управления электроприводом выполнением инвертора тока на запираемых вентилях. Это выражается в замене традиционных элементов коммутации тиристоров в схеме АИТ в виде нескольких неполярных конденсаторов и отсекающих диодов общим для всех вентилей демпфирующим устройством на основе полярного демпфирующего конденсатора с меньшими массогабаритными и стоимостными показателями и двух коммутирующих транзисторов, имеющих, в связи с кратковременностью действия, меньшую по сравнению с силовыми вентилями установленную мощность; 2) в плавном проведении коммутаций фазных токов инвертора, что необходимо для ограничения коммутационных перенапряжений, сопровождающих запирание силовых вентилей на приемлемом достаточно низком уровне; 3) в устранении накапливания заряда на обкладках полярного конденсатора фильтра без необходимости рассеивания избыточной энергии коммутации в разрядном резисторе. Этот эффект объясняется чередованием заряда и разряда этого конденсатора на каждом интервале коммутации, приводящим к двухстороннему обмену энергией между указанным конденсатором и индуктивными элементами контура коммутации.
На фиг.1 изображена предлагаемая схема частотно-токового электропривода, работу которой поясняют полученные компьютерным моделированием осциллограммы на фиг.2. Для сравнения на фиг. 3, а, б приведены осциллограммы напряжений и токов на выходе других известных преобразователей частоты.
Предлагаемый частотно-токовый электропривод фиг.1 содержит последовательно соединенные первое звено в виде управляемого выпрямителя 1, получающего питание от 3-фазной сети, и присоединенное к его полюсам посредством сглаживающего дросселя 2 второе звено в виде автономного инвертора 3, выполненного по 3-фазной мостовой схеме на транзисторных ключах (v1, v2, … v6) с односторонней проводимостью тока, выходами подключенный к статорным обмоткам 3-фазного двигателя переменного тока 4. В параллель к статорным обмоткам подключено так же демпфирующее устройство, имеющее в своем составе неуправляемый мостовой выпрямитель на диодах 5 с подключенным на выходе полярным демпфирующим конденсатором 6. Присоединение полюсов неуправляемого выпрямителя ко входам автономного инвертора осуществляется в проводящем направлении с помощью коммутирующих транзисторов 7 и 8.
сф
после
d
a
a
b
d
a
Из схемы на фиг.1 следует, что решение поставленной задачи потребовало перемещения традиционных для АИН элементов в виде обратных диодов и полярного конденсатора Сф из звена постоянного тока в параллельно подключенное к статорным обмоткам транзисторно-конденсаторное демпфирующее устройство. Указанное изменение конфигурации двухзвенного ПЧ не приводит к прерыванию реактивных токов в обмотках двигателя, а потому, с точки зрения защиты от коммутационных перенапряжений, является адекватной мерой. Введение в схему дополнительных коммутирующих транзисторов v7, v8 делает возможным проведение каждой коммутации в схеме инвертора в два этапа. Полученные компьютерным моделированием осциллограммы фиг.2 иллюстрируют пуск инвертора (v1, v2, … v6) при нулевых начальных значениях напряжения и тока конденсатора 6 на активно-индуктивную нагрузку при длительности проводящего состояния каждого ключа λ=2π/3. Видно, что появившееся превышение напряжения конденсатора над амплитудой сетевого напряжения приводит к тому, что диоды выпрямительного моста 5 на межкоммутационных интервалах оказываются запертыми, в связи с чем уровень напряжения конденсатора U окончания переходного процесса пуска сохраняется постоянным. Устранение известного эффекта накапливания заряда на обкладках полярного конденсатора в схеме с диодами происходит благодаря чередованию частичного разряда и заряда на каждом интервале коммутации. Для этого проведение каждой коммутации с помощью демпфирующего конденсатора 6 осуществляется в два этапа. Замыкание ключей v7, v8 на первом этапе приводит к согласному подключению конденсатора в параллель к находящимся в работе двум статорным обмоткам двигателя. При постоянстве тока нагрузки I=const это приведет к уведению тока выходящей из работы фазы (i) в цепь конденсатора по цепи с транзисторами v7, v8, что будет сопровождаться частичным разрядом последнего и уменьшением тока, выходящего из работы силового ключа v1. Последующее выключение v7, v8, v1 при уменьшенной (примерно вдвое) величине тока силового вентиля v1 способствует уменьшению коммутационных потерь мощности и повышению перегрузочной способности инвертора. Как видно из диаграмм фиг.2, коммутация завершается повторным зарядом конденсатора под воздействием снижающегося до нуля тока выходящей из работы фазы  (i→0). Так же, как это происходит в классической схеме АИТ с отсекающими диодами, встречное напряжение конденсатора на втором этапе способствует плавному вытеснению тока нагрузки Id в цепь вступающей в работу фазы б с очередным ключом v3 (i→I). Можно видеть, что результатом служит плавный принудительный перевод тока нагрузки из одной статорной обмотки в другую без необходимости рассеивания избыточной энергии коммутации в разрядном сопротивлении. В соответствии с представленным на фиг.2 алгоритмом подачи управляющих импульсов, коммутации тока в других статорных обмотках двигателя происходят аналогично. Для сравнения на фиг.3 представлены диаграммы фазных напряжений и токов в известных схемах АИН (фиг.3, а) и АИТ с отсекающими диодами (фиг.3, б). Видно, что в отличие от предложенного варианта фиг.1, применение АИН не удовлетворяет требованиям частотно-токовых систем, так как не устраняет фазового угла нагрузки. В то время, как применение АИТ на однооперационных тиристорах во многих случаях считается более затратным и морально устаревшим.