Управление автономным инвертором тока на запираемых вентилях с применением демпфирующего конденсатора

ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ

УДК 621.3

Н. И. Горбачевский, Р. Н. Ганиев, С. Н. Сидоров УПРАВЛЕНИЕ АВТОНОМНЫМ ИНВЕРТОРОМ ТОКА НА ЗАПИРАЕМЫХ ВЕНТИЛЯХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДЕМПФИРУЮЩЕГО КОНДЕНСАТОРА

Ключевые слова: электропривод, обратимый преобразователь частоты, многодвигательный электропривод, запираемые

вентили.

Предлагается вариант исполнения инвертора тока с заменой традиционного коммутирующего конденсатора

демпфирующим устройством с полярным конденсатором, осуществляющим коммутацию в два этапа. Вариант позволяет добиться плавности изменения токов статорных обмоток во время коммутаций, завершающихся выключениями силовых транзисторов в обесточенном состоянии.

Key words: electric drive, reversible frequency Converter, multimotor electric drive, lockable valves.

A variant of a current inverter with the replacement of the traditional capacitor damping device with polar capacitor that switches in two stages. Option allows you to achieve smooth changes of currents of the stator windings during commutation, ending shutdowns of power transistors in the de-energized condition.

Следует отметить, что наиболее распространённым вариантом исполнения инвертора тока во многих отраслях до сих пор остаётся мостовая схема АИТ на однооперационных тиристорах с отсекающими диодами и шестью коммутирующими конденсаторами [1,2,3,4,5]. Изображение силовой схемы этого преобразователя с поясняющими картинами сетевого тока, напряжения в звене постоянного тока, а также тока и напряжения в фазных обмотках асинхронного двигателя, приведено на рис. 1.

Рис. 1 - Фрагмент силовой схемы электропривода по системе «тиристорный АИТ с отсекающими диодами - асинхронный двигатель» и поясняющие диаграммы входных и выходных напряжений и токов

Замена однооперационных тиристоров на запираемые вентили ведёт к устранению коммутирующих конденсаторов как наиболее громоздкой и наименее надёжной части силовой схемы АИТ. Достигаемое упрощение многодвигательного электропривода создаёт предпосылки для существенного улучшения технико-экономических показателей кордной линии. Однако замена элементной базы будет адекватной, если сохранит плавность изменения коммутирующих токов в схеме АИТ при ограниченном уровне коммутационных перенапряжений. Напомним, что в схеме рис.1 этой задаче служат неполярные коммутирующие конденсаторы,

совмещающие функции запирания однооперацион-ных тиристоров с функциями защиты от коммутационных перенапряжений. Достигаемый в этой схеме эффект плавной коммутации тока обеспечивает не более, чем 1.5 - кратное превышение коммутирующего напряжения конденсаторов над амплитудой питающего напряжения, а так же повышение перегрузочной способности и надёжности инвертора в работе за счёт снижения динамических нагрузок вентилей. Покажем, что в предлагаемой на рис.2, рис.3 схеме АИТ на запираемых вентилях решение указанных задач возможно при меньшем количестве вспомогательных элементов, к числу которых относится единственный полярный конденсатор фильтра Сд и пара коммутирующих транзисторов УТк1,УТк2 с разделительными диодами и

Рис. 2 - Схема варианта исполнения многодвигательного электропривода на основе модифицированных инверторов тока: В(И) -совмещённый блок выпрямления/ инвертирования на одном комплекте вентилей ; И - рекуперирующий инвертор; Сd - полярный демпфирующий конденсатор; УВ1, УВ2 - разделительные диоды

Как объект обратимого электропитания, схема многодвигательного привода на рис.2 представляет

вариант привода, реализующий принцип разделения потоков прямой и обратной мощности.

\'Ы ™

' I Г 1 Т..1 Г " ,1 Г 1

УГ1ЧУТЗ|УТ5

ч ч; <

14 в= \Т1 лггл -,-г-.

а) б)

Рис. 3 - Схема замещения транзисторного АИТ на первом (а) и втором (б) этапахплавной коммутации тока из фазы А в фазу В с помощью демпфирующего конденсатора Сд

В связи с кратковременностью действия лишь во время коммутаций, вспомогательные транзисторы 1к1,1к2 имеют сравнительно малую установленную мощность. Их применение, как уже отмечалось, позволяет использовать конденсатор фильтра Сд не только для вывода избыточной энергии торможения, но и для демпфирования коммутирующих токов. Для этого проведение каждой коммутации осуществляется в два этапа. Проведение коммутаций рассмотрим на примере перевода тока нагрузки из фазы А с выходящим из работы силовым транзистором 11 в фазу В со вступающим в работу силовым транзистором 13. Будем считать, что на предваряющем внекоммутационном интервале ток нагрузки протекал по цепи с элементами: Ld,VT1, обмотка фазы А, обмотка фазыС, 12. Началом коммутации в данной схеме служит включение вспомогательных транзисторов 1к1 и 1к2. Превышение начального напряжения демпфирующего конденсатора Сд над амплитудой межфазного напряжения статора вызовет процесс перехода тока выключаемого транзистора 11 в показанную на рис.3,а утолщённой линией параллельную цепь с элементами 1к1,Сд ,1к2. Данный процесс будет сопровождаться частичным разрядом конденсатора Сд. Последующее выключение транзисторов 11, 1к1, 1к2 и подача отпирающего импульса на очередной силовой транзистор13 приведёт, согласно схеме рис.3,б, ко второму этапу коммутации. Основным процессом второго этапа служит повторный заряд Сд, приводящий к восстановлению начального напряжения конденсатора. При этом заряд конденсатора будет происходить достаточно плавно под воздействием снижающегося до нуля тока выходящей из работы обмотки фазы А по цепи из элементов: обмотка фазы С, диоды выпрямительного моста, конденсатор Сд, обмотка фазы А. В это время ток вступающей в работу фазы В будет нарастать по цепи, содержащей реактор Ld, силовой транзистор 13, обмотку фазы В, обмотку фазы С и транзистор 12. Ввиду достаточно большой ёмкости демпфирующего конденсатора, его заряд будет

протекать достаточно плавно, обеспечивая такое же плавное изменение токов в коммутирующих фазах А и В. В установившемся режиме процесс коммутации завершится переходом тока нагрузки в цепь силовых транзисторов 13, 12 с восстановлением начального напряжения на обкладках конденсатора и запиранием диодов моста до начала следующей коммутации.

Вывод: представленные на рис.4 результаты компьютерного моделирования подтверждают эффективность и достоинства предлагаемого способа коммутации. К числу последних следуетотнести ограничениеперенапряжений без применения разрядного резистора, возможность установки заданного уровня перенапряжений за счёт изменения длительности первого этапа коммутации, а так же плавность изменения токов статорных обмоток во время коммутаций, завершающихся выключениями силовых транзисторов в обесточенном состоянии.

Рис. 4 - Кривые фазных токов на выходе АИТ (а,б,в) , а так же напряжения и тока демпфирующего конденсатора, позволяющие сравнить уровень коммутационных перенапряжений при традиционном (г) и предлагаемом (д) способах проведения коммутаций запираемых вентилей

Литература

1. Зиновьев, Г.С. Основы силовой электроники: учебн. Пособие/ Г.С. Зиновьев - 3-е изд.- Новосибирск. НГТУ. 2004.

2. Розанов, Ю.К. Силовая электроника: учебник для вузов /Ю.К. Розанов, М.В. Рябчицкий, А.А. Кваснюк.- М.: Изд-во МЭИ. 2007. - 632 с.

3. Сандлер, А.С. Тиристорные инверторы с широтно-импульсной модуляцией/ А.С Сандлер, Ю.М Гусяцкий. -М.: Энергия, 1968. - 96 с.

4. Патент РФ №2167484. Способ управления мощностью на сетевом входе трёхфазного вентильного преобразователя / С.Н. Сидоров. Опубл. в БИ №14. 2001.

5. Эпштейн, И.И. Автоматизированный электропривод переменного тока/ И. И. Эпштейн. - М.: Энергоиздат, 1982. -192 с.

6. Ганиев Р. Н. Электропривод экструдера на основе системы векторного управления асинхронным двигателем/ Вестник Казан. технол. ун-та. - 2013. - Т.16, №12. - С.263-265.

7. Ганиев Р. Н. Математическая модель в экструдера как объекта автоматического управления/ Вестник Казан. технол. ун-та. - 2014. - Т.17, №5. - С.264-267.

© Н. И. Горбачевский - канд. техн. наук, зав. каф. электротехники и энергообеспечения предприятия НХТИ КНИТУ, aep-nk@mail.ru; Р. Н. Ганиев - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, n7007@mail.ru; С. Н. Сидоров - канд. техн. наук, доцент каф. электропривод и автоматизация промышленных установок УлГТУ, sidorov_ulstu@mail.ru.

© N. I. Gorbachevsky - PhD, head of the Department of electrical engineering and power supply companies, NCHTI doctor of KNRTU, aep-nk@mail.ru; R. N. Ganiev - PhD, associate Professor of the same Department, n7007@mail.ru; S. N. Sidorov - PhD, associate Professor, associate Professor of electric drive and automation of industrial installations department of UlSTU, sidorov_ulstu@mail.ru.