УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)
SPEED CONTROL DEVICE OF ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR (VERSIONS)

Предлагаемое устройство для управления скоростью асинхронного электродвигателя предназначено для использования в приводах электровозов с асинхронными электродвигателями при питании от сетей переменного или постоянного тока, что свойственно для протяженных скоростных магистралей, имеющих участки сети переменного и постоянного тока.
Известен двухзвенный преобразователь частоты с мостовым трехфазным инвертором напряжения на IGBT транзисторах со звеном постоянного тока и активным выпрямителем. [1]
Недостатком этого преобразователя частоты является сложность, большое число силовых транзисторов, в том числе при питании от однофазной сети.
Известен двухзвенный преобразователь частоты с мостовым трехфазным инвертором напряжения на IGBT транзисторах со звеном постоянного тока и активным выпрямителем на тиристорах с питанием от однофазной сети переменного тока для питания тягового асинхронного электропривода высокоскоростного поезда «Сокол». [2]
Недостатком этого устройства является его сложность.
Известен двухзвенный преобразователь частоты на полностью управляемых силовых полупроводниковых ключах с ШИМ-выпрямителем. [3]
Его положительные качества - обеспечение высокого значения входного коэффициента мощности (0.99) в широком диапазоне изменения нагрузки, обеспечение двунаправленной передачи энергии - рекуперации. Уравнитель напряжения (УН) на шинах постоянного тока питания инвертора выполнен на двух IGBT транзисторах VT3, VT4 и дросселе с индуктивностью L2, подключенной к средней точке накопительных конденсаторов C1, C2. Он представляет собой устройство, обеспечивающее равенство постоянных напряжений конденсаторов С1 и С2, что необходимо для исключения постоянной составляющей напряжения питания на выходе инвертора. Уравнитель уменьшает пульсации тока в накопительных конденсаторах. Это позволило разрешить коммутационные проблемы, обеспечило синусоидальность выходных и входных токов, единичный коэффициент мощности по сети, возможность рекуперации электрической энергии в сеть, улучшило электромагнитную совместимость с питающей сетью, увеличило динамику электропривода, улучшило массогабаритные параметры.
К недостаткам двухзвенного преобразователя частоты на полностью управляемых силовых полупроводниковых ключах с ШИМ-выпрямителем можно отнести:
- сложность устройства, большое количество силовых IGTB-транзисторов и возможность возникновения на закрытых транзисторах значительных импульсных перенапряжений;
- сложность системы управления транзисторами ШИМ-выпрямителя, требующая информации не только о величине токов и напряжения, но и их фазовом сдвиге;
- наличие электрических конденсаторов большой емкости и высоким рабочим напряжением.
Известен матричный преобразователь частоты. [4]
Он выполняется на 9-ти двунаправленных ключах, которые способны подключать любую из трех фаз входного напряжения к любой из трех фаз нагрузки. В качестве полностью управляемого ключевого элемента двухсторонней проводимости могут использоваться два IGBT транзистора (или MOSFET транзистора), включенные последовательно и встречно, каждый из которых шунтирован диодом, включенным встречно транзистору.
Недостатком данного устройства является сложность, большое количество ключевых элементов, возникновение больших перенапряжений на полупроводниковых полностью управляемых ключевых элементах в моменты прерывания ими тока в ветвях системы с индуктивными элементами. Ограничение величины перенапряжений, возникающих при размыкании ключей, приводит к неизбежному усложнению схемы дополнительными элементами для ограничения напряжения и к дополнительным потерям.
Известен преобразователь частоты с мостовым трехфазным инвертором с дополнительным (нейтральным) плечом и с емкостным делителем в цепи постоянного тока. [5]
Недостаток этого устройства - большое количество IGBT транзисторов в инверторе напряжения, нестабильность потенциала емкостного делителя, что приводит к появлению постоянной составляющей напряжения на фазах асинхронного электродвигателя, ограничение мощности инвертора напряжения величиной емкостей в емкостном делителе звена постоянного тока.
Прототипом предлагаемого устройства является преобразователь частоты с активным полумостовым однофазным однополупериодным выпрямителем сетевого напряжения, мостовым инвертором напряжения и емкостным делителем напряжения в звене постоянного тока (Фиг.1). [6]
Вывод 1 источника переменного однофазного напряжения через дроссель 3 подключен к средней (общей) точке активного полумостового однофазного однополупериодного выпрямителя, который выполнен на IGBT транзисторах 5, 6. Вывод 2 подключен к средней (общей) точке 4 емкостного делителя 7, 8 и фазе А асинхронного электродвигателя 13. Фазы В и С подключены к мостовому инвертору напряжения, который выполнен на IGBT транзисторах 9, 10, 11, 12.
Недостатком этого устройства является ограничение по мощности инвертора напряжения по причине неравномерного распределения напряжения на конденсаторах делителя в цепи постоянного тока, что связано с однополупериодным выпрямлением однофазного напряжения, а также зарядкой конденсаторов в разных полупериодах сетевого напряжения.
Целью предлагаемого устройства является увеличение допустимой мощности преобразователя частоты при питании от однофазной сети переменного напряжения.
Эта цель достигается тем, что активный выпрямитель сетевого напряжения выполнен по мостовой схеме, вход переменного тока активного выпрямителя подключен к выводам двух последовательно и согласно включенных вторичных обмоток сетевого трансформатора, к выходу активного выпрямителя подключен емкостный делитель в звене постоянного тока преобразователя частоты, средняя (общая) точка вторичных обмоток трансформатора соединена со средней (общей) точкой конденсаторов емкостного делителя в звене постоянного тока преобразователя частоты, а три фазы асинхронного электродвигателя подключены к соответствующим плечам инвертора напряжения (Фиг.2).
Первичная обмотка 15 сетевого трансформатора 14 соединена с источником однофазного переменного напряжения 1, 2 (контактная сеть). Вход активного мостового выпрямителя, выполненного на ключевых элементах 5, 6, 19, 20, соединен с последовательно и согласно включенными вторичными обмотками 16, 17 сетевого трансформатора 14. Средняя (общая) точка 18 вторичных обмоток сетевого трансформатора подключена к средней (общей) точке емкостного делителя 7, 8, который подключен к выходу активного мостового выпрямителя. Фазы А, В, С асинхронного электродвигателя 13 подключены к соответствующим плечам инвертора напряжения, выполненного на ключевых элементах 9, 10, 11, 12, 21, 22.
В качестве ключевых элементов могут использоваться IGBT или MOSFET транзисторы со встроенными обратными диодами.
Однофазное переменное напряжение через сетевой трансформатор 14 подается на вход активного мостового выпрямителя, выполненного на ключевых элементах 5, 6, 19, 20, обратные диоды которых заряжают емкостной делитель напряжения 7, 8. Если в результате работы преобразователя нарушается равенство напряжений на емкостях 7 и 8, или входное напряжение уменьшается в такой степени, что требуется дополнительно увеличить напряжение звена постоянного тока, то вступают в работу ключевые элементы активного выпрямителя. Применение активного мостового выпрямителя и, одновременно, соединение средней (общей) точки трансформатора со средней (общей) точкой емкостного делителя позволяет обеспечить более точное равенство напряжений на емкостях 7 и 8, поскольку осуществляется двухполупериодное выпрямление переменного сетевого напряжения, что, в свою очередь, позволяет увеличить мощность преобразователя частоты.
В случае применения преобразователя частоты для регулирования скорости вспомогательных приводов переменного тока электровоза целью является упрощение устройства.
Эта цель достигается тем, что две фазы асинхронного электродвигателя подключены к двум плечам инвертора напряжения, а третья фаза асинхронного электродвигателя подключена к средней точке конденсаторов емкостного делителя напряжения в звене постоянного тока преобразователя частоты (Фиг.3).
Первичная обмотка 15 сетевого трансформатора 14 соединена с источником однофазного переменного напряжения 1, 2 (контактная сеть). Вход активного мостового выпрямителя, выполненного на ключевых элементах 5, 6, 19, 20, соединен с последовательно и согласно включенными вторичными обмотками 16, 17 сетевого трансформатора 14. Средняя (общая) точка 18 вторичных обмоток сетевого трансформатора подключена к фазе А асинхронного электродвигателя 13 и средней (общей) точке емкостного делителя 7, 8, который подключен к выходу активного мостового выпрямителя. Фазы В, С асинхронного электродвигателя 13 подключены к соответствующим плечам инвертора напряжения, выполненного на ключевых элементах 9, 10, 11, 12.
В качестве ключевых элементов могут использоваться IGBT или MOSFET транзисторы со встроенными обратными диодами.
Однофазное переменное напряжение через сетевой трансформатор 14 подается на вход активного мостового выпрямителя, выполненного на ключевых элементах 5, 6, 19, 20, обратные диоды которых заряжают емкостной делитель напряжения 7, 8. Если в результате работы преобразователя нарушается равенство напряжений на емкостях 7 и 8, или входное напряжение уменьшается в такой степени, что требуется дополнительно увеличить напряжение звена постоянного тока, то вступают в работу ключевые элементы активного выпрямителя, который осуществляет двухполупериодное выпрямление. Формирование системой управления методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) синусоидальных токов в фазах В, С асинхронного электродвигателя 13 и подключение фазы А к средней (общей) точке 18 емкостного делителя напряжения 7, 8 позволяет получить синусоидальный ток в фазе А электродвигателя, что, в свою очередь, позволяет упростить преобразователь частоты.
С целью дальнейшего упрощения устройства активный мостовой выпрямитель сетевого напряжения выполнен на диодах, два последовательно включенных плеча которого шунтированы встречно включенными транзисторами (Фиг.4).
Первичная обмотка 15 сетевого трансформатора 14 соединена с источником однофазного переменного напряжения 1, 2 (контактная сеть). Вход активного мостового выпрямителя, выполненного на ключевых элементах 5, 6 и диодах 19, 20, соединен с последовательно и согласно включенными вторичными обмотками 16, 17 сетевого трансформатора 14. Средняя (общая) точка 18 вторичных обмоток сетевого трансформатора подключена к фазе А асинхронного электродвигателя 13 и средней (общей) точке емкостного делителя 7, 8, который подключен к выходу активного мостового выпрямителя. Фазы В, С асинхронного электродвигателя 13 подключены к соответствующим плечам инвертора напряжения, выполненного на ключевых элементах 9, 10, 11, 12.
В качестве ключевых элементов могут использоваться IGBT или MOSFET транзисторы со встроенными обратными диодами.
Однофазное переменное напряжение через сетевой трансформатор 14 подается на вход активного мостового выпрямителя, который через обратные диоды ключевых элементов 5, 6 и диоды 19, 20 заряжает емкостной делитель напряжения 7, 8. Если в результате работы преобразователя нарушается равенство напряжений на емкостях 7 и 8, или входное напряжение уменьшается в такой степени, что требуется дополнительно увеличить напряжение звена постоянного тока, то вступают в работу ключевые элементы 5, 6 активного выпрямителя. В данном случае заряд емкостного делителя также осуществляется по двухполупериодной схеме, а для поддержания равенства напряжений на емкостях 7 и 8 достаточно двух ключевых элементов 5 и 6, что позволяет упростить преобразователь частоты.
Источники информации
1. Учебник для студентов ВУЗов, обучающихся по специальности 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» направления подготовки 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнология». - М.: АКАДЕМА, 2006; рис.4.1.
2. «Микропроцессорные системы управления тяговым асинхронным электроприводом» Богатырев Д.Е., Махонин С.В., Махонин Ю.С., Москалев И.А, Николаев М.А. - ЦНИИ СЭТ, СПб.
3. В.Климов, А.Москалев Трехфазные источники бесперебойного питания: схемотехника и технические характеристики, Электронные компоненты, №8, 2005 г.
4. A.Alesina, M.Venturini Analysis and Design of Optimum-amplitude Nine-switch Direct AC-AC Converters, IEEE Trans. On Power Electronics, vol.4, no.1, 1989.
5. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники // Учебное пособие. Изд. 2-е, испр. и доп. Новосибирск, 2003 г., рис.13.6.1.
6. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники // Учебное пособие. Изд. 2-е, испр. и доп. Новосибирск, 2003 г., рис.13.6.4.