ЧАСТОТНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД
FREQUENCY ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано в качестве привода различных устройств: насосов, вентиляторов, подъемников.
В настоящее время для регулирования скорости вращения асинхронных (синхронных) электродвигателей используются преобразователи частоты, которые разделены на два класса: преобразователи частоты с промежуточным контуром постоянного тока и непосредственные преобразователи частоты (НПЧ).
В преобразователях частоты с промежуточным контуром постоянного тока, выполненных на базе инверторов напряжения, в контуре постоянного тока переменное напряжение сети преобразуется с помощью диодного выпрямителя, сглаживается индуктивно-емкостным фильтром, а затем инвертором в выходном каскаде, соединенном с контуром постоянного тока, осуществляется обратное преобразование из постоянного тока в переменный ток с необходимыми напряжением и частотой (Энергетическая электроника. Справочное пособие. Пер. с нем. / Под ред. В.А. Лабунцова. М.: Энергоатомиздат, 1987. С. 374-388).
НПЧ не имеет в своем составе звена постоянного тока. Преобразование осуществляется путем циклических подключений фаз нагрузки к фазам источника питания переменного тока. При этом различают НПЧ с естественной коммутацией, НПЧ с искусственной коммутацией (Джюджи Л., Пелли Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты: Теория, характеристики, применение. Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1983) и НПЧ, в которых реализуется принцип двойного преобразования путем модуляции переменного тока одной частоты в переменный ток повышенной частоты с последующей демодуляцией переменного тока повышенной частоты в переменный ток с требуемыми частотой и напряжением (Тиристорные преобразователи частоты в электроприводе. Под. ред. Р.С. Сарбатова. - М.: Энергия, 1980. С. 88).
Основные тенденции улучшения энергетических характеристик частотных электроприводов связаны с улучшением формы кривой напряжения, формируемой на статорной обмотке электродвигателя (в том числе и при его регулировании), при минимально возможном количестве управляемых ключей с одновременным обеспечением возможности рекуперации электроэнергии в питающую сеть и улучшением коэффициента мощности частотного электродвигателя.
Известен частотный электропривод по патенту RU 2539293 C1 (H02P 27/04, H02K 17/12, H02K 17/30, 2015). Известный электропривод содержит трехфазный электродвигатель, обмотки которого соединены треугольником. При этом концы и начала обмоток подключены к инвертору напряжения. Полюса инвертора соединены с полюсами выпрямителя и фильтра, выполненного в виде двух последовательно соединенных конденсаторов и шунтирующих их резисторов. К входу выпрямителя подключен сетевой коммутатор. Электродвигатель снабжен отводами от середин обмоток, к которым присоединены выводы трехфазной конденсаторной батареи, соединенной звездой, нулевая точка которой соединена со средней точкой последовательно включенных конденсаторов фильтра. Благодаря особенности исполнения привод сохраняет работоспособность при обрыве фазы обмотки электродвигателя, что особенно важно для ответственных электроприводов.
Недостатками известного частотного электропривода являются неустойчивая работа при частоте питающего электродвигатель напряжения, близкой к нулю, невозможность изменения направления вращения по цепи управления, низкие коэффициент полезного действия и коэффициент мощности при малых оборотах.
Известен частотный привод по патенту RU 2407141 C1 (H02P 27/00, H02M 5/27, H02M 5/297, 2010). Известный частотный электропривод выполнен на основе синхронной (асинхронной) машины переменного тока и двухзвенного преобразователя частоты с управляемым выпрямителем на сетевом входе и промежуточным звеном постоянного тока на выходе, к полюсам которого посредством параллельного подключенного конденсаторного фильтра присоединен своими входами тиристорный инвертор напряжения. Последний выполнен по трехфазной мостовой схеме на однооперационных тиристорах полной мощности, шунтированных обратными диодами, и содержит устройство искусственной коммутации, необходимое для переключения силовых тиристоров в режиме работы синхронной машины с отстающими фазовыми углами тока относительно напряжения статорных обмоток. Устройство искусственной коммутации выполнено в виде трехфазного вольтодобавочного трансформатора и трехфазного транзисторного инвертора напряжения, имеющих сравнительно малую мощность. Трехфазный транзисторный инвертор напряжения подключен своими входами к полюсам звена постоянного тока, а трехфазным выходом - к первичным обмоткам указанного трансформатора, каждая вторичная обмотка которого соединяет одну из статорных обмоток машины переменного тока с одним из выходов тиристорного инвертора.
Недостатком известного частотного привода является сложность процесса преобразования, обусловленная наличием двухзвенного преобразователя частоты и инвертора напряжения.
Относительно частотных приводов можно отметить, что характерным для известных устройств является наличие преобразователя частоты, подключенного к электродвигателю. Таким образом частотный привод, как правило, предполагает использование преобразователя частоты, связанного с электродвигателем
Известно устройство по патенту RU 2256284 C1 (H02M 5/297, 2005). Известное устройство содержит блок управления и группы параллельно соединенных пар последовательно включенных ключей, а также блок фазирования и блок фильтрации, подключенные к входам преобразователя частоты, и трансформаторы в количестве, равном числу фаз входного напряжения. При этом одни выходы блока управления подключены через блок фазирования к управляющим входам одних ключей, другие выходы блока управления последовательно через блок фильтрации и блок фазирования подключены к управляющим входам других ключей. Первичные обмотки трансформаторов подключены к входам преобразователя частоты через одни соответствующие группы ключей, собранные по мостовым схемам преобразования напряжения и объединенные в звезду или многоугольник, а вторичные обмотки разных трансформаторов соединены последовательно и крайние выводы этих групп обмоток подключены к выходам преобразователя частоты через другие соответствующие группы ключей, собранные по мостовым схемам преобразования напряжения и объединенные в звезду.
Недостатком известного устройства является необходимость преобразования переменного трехфазного напряжения на входе преобразователя частоты в переменное напряжение повышенной частоты на выводах групп вторичных обмоток трансформаторов, которое далее преобразуется в трехфазное широтно-модулированное переменное напряжение на выходах преобразователя частоты.
Известен преобразователь m-фазной системы напряжений одной частоты в n-фазную систему напряжений другой частоты (SU 515222, H02M 5/257, H05P 7/62, 1976). Известный преобразователь содержит m-фазный трансформатор с двумя вторичными m-фазными обмотками, два m целевых ключа в виде двух неуправляемых m-фазных вентильных мостов с полностью управляемыми ключами на стороне постоянного тока, причем входы этих мостов подключены к разноименным концам двух вторичных обмоток трансформатора, а другие концы этих обмоток, принадлежащие одной и той же фазе, объединены между собой, а также nm-фазных управляемых вентильных мостов, входы каждого из nm-фазных управляемых мостов подключены к указанным точкам объединения вторичных обмоток трансформатора.
Однако известный преобразователь частоты не обеспечивает возможность получения на нагрузке (электродвигателе привода) переменного тока с частотой, равной или больше частоты питающего преобразователь переменного тока.
Можно отметить, что в известных частотных приводах (электромашинных преобразователях) процесс преобразования питающего трехфазного переменного тока одной частоты в трехфазный переменный ток с регулируемыми частотой и напряжением осуществляется без использования в процессе преобразования самого электродвигателя.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является устройство, приведенное в описании изобретения по патенту RU 2239274 C1 (H02M 5/297, 2004). Известное устройство содержит трехфазно-трехфазный преобразователь частоты, который подключен к трехфазной нагрузке. В качестве последней может быть, например, электродвигатель. Преобразователь частоты содержит трехфазную питающую сеть, трансформаторное звено с трехфазными входными и выходными обмотками и коммутирующие элементы, выполненные в виде трехфазных диодных мостов с электронными ключами в цепи постоянного тока. Для получения в первичных обмотках трансформатора трехфазного напряжения повышенной частоты входные цепи преобразователя выполнены аналогично выходным цепям, а именно с применением трех одинаково выполненных трехфазных групп первичных обмоток и трех коммутирующих элементов, каждый в виде трехфазного диодного моста с зажимами переменного тока, подключенными к одноименным выводам первичных обмоток одной из трехфазных групп, а зажимами постоянного тока - к силовым выводам включенного в проводящем направлении транзисторного ключа. При этом другие выводы каждых трех первичных обмоток фаз и групп подключены к одной из фаз питающей сети.
К недостаткам известного решения можно отнести необходимость реализации процессов модуляции и демодуляции при преобразовании переменного тока одной частоты на входе преобразователя частоты в трехфазный переменный ток другой частоты на выходе преобразователя частоты. Кроме того, выходное напряжение содержит весь спектр высших гармонических составляющих. Отмеченные недостатки делают процесс модулирования (преобразования) неэффективным, ограничивают функциональные возможности и область использования устройства. Также можно отметить, что в известном техническом решении процесс преобразования питающего трехфазного переменного тока одной частоты в трехфазный переменный ток с регулируемыми частотой и напряжением осуществляется без использования в процессе преобразования самого электродвигателя.
Задачей настоящего изобретения является создание частотного электропривода, в котором обмотки статора электродвигателя используются в процессе преобразования (модулирования), что обеспечивает повышение эффективности процесса преобразования, расширение функциональных возможностей и области использования частотного электропривода.
Указанная задача решается тем, что предложен частотный электропривод, содержащий входные зажимы A, B, C для подключения питающей трехфазной сети, коммутирующие элементы и асинхронный электродвигатель, включающий ротор, окруженный статором, содержащим трехфазные обмотки, которые выполнены с возможностью обеспечения совместно с соответствующими им коммутирующими элементами модулирования параметров электроэнергии трехфазного переменного тока питающей сети. Одни выводы фазных обмоток трехфазных обмоток статора подключены к соответствующим входным зажимам A, B, C, а другие выводы - к соответствующим трехфазным обмоткам коммутирующим элементам.
Вместе с этим статор имеет три одинаково выполненные части, которые расположены последовательно вдоль ротора. Каждая из частей включает две трехфазные обмотки. При этом в каждой из частей статора начальные выводы фазных обмоток одной трехфазной обмотки и концы фазных обмоток другой трехфазной обмотки подключены к соответствующим входным зажимам A, B и C, а другие выводы каждой из трехфазных обмоток подключены к соответствующему этой трехфазной обмотке коммутирующему элементу. Фазные обмотки трехфазных обмоток одной части статора последовательно подключены соответственно к входным зажимам A, B, C, а фазные обмотки трехфазных обмоток других частей статора последовательно подключены соответственно к входным зажимам B, C, A и C, A, B.
Кроме того, коммутирующий элемент выполнен в виде трехфазного диодного моста с электронным ключом в цепи постоянного тока.
В варианте выполнения частотный электропривод в качестве электронного ключа содержит транзистор.
В другом варианте выполнения частотный электропривод в качестве электронного ключа содержит тиристор.
Вместе с этим ротор электродвигателя выполнен короткозамкнутым.
Технический результат использования изобретения состоит в том, что оно обеспечивает возможность создания частотного электропривода (электромашинного преобразователя), позволяющего повысить эффективность процесса преобразования (модулирования) питающего трехфазного переменного тока и  расширить эксплуатационные возможности и область использования электропривода. Вместе с этим, благодаря использованию в процессе преобразования питающего трехфазного переменного тока трехфазных обмоток самого электродвигателя, изобретение обеспечивает возможность уменьшения массогабаритных показателей частотного привода.
A1
B1
C1
Аст
На фиг. 1 представлена общая схема заявляемого частотного электропривода (на схеме номера позиций для частей статора электродвигателя условно показаны дважды); на фиг. 2 - схема подключения обмоток статора электродвигателя к входным зажимам и коммутирующим элементам; на фиг. 3 - диаграммы формирования напряжения на статорных обмотках электродвигателя; на фиг. 4 - диаграммы формирования напряжения на статорных обмотках электродвигателя при регулировании напряжения; на фиг. 5 - то же. На диаграммах: U - напряжение, формируемое на фазных обмотках 20, 23 трехфазных обмоток 14, 15 части 4 статора электродвигателя; U - напряжение, формируемое на фазных обмотках 26, 29 трехфазных обмоток 16, 17 части 5 статора электродвигателя; U - напряжение, формируемое на фазных обмотках 32, 35 трехфазных обмоток 18, 19 части 6 статора; U - суммарное фазное напряжение, формируемое в фазе A статора; ω - круговая частота; t - время; 38-43 - интервалы включения соответствующих электронных ключей.
Частотный электропривод содержит входные зажимы A, B, C для подключения питающей трехфазной сети 13, асинхронный электродвигатель 1, включающий статор 2 и короткозамкнутый ротор 3. Статор 2 имеет три одинаково выполненные части 4-6, которые расположены последовательно вдоль окруженного статором ротора 3. Каждая из частей статора 2 содержит две трехфазные обмотки. При этом одни выводы фазных обмоток трехфазных обмоток статора подключены к соответствующим входным зажимам A, B, C, а другие выводы - к соответствующим трехфазным обмоткам коммутирующим элементам 7-12. На части 4 статора расположены трехфазные обмотки 14 и 15. На части 5 статора расположены трехфазные обмотки 16 и 17. На части 6 статора расположены трехфазные обмотки 18 и 19. Трехфазные обмотки 14-19 включают фазные обмотки 20-37. Начальные выводы фазных обмоток 20-22, 26-28 и 32-34, а также концы фазных обмоток 23-25, 29-31 и 35-37 подключены к соответствующим входным зажимам A, B и C. При этом фазные обмотки 20, 23, 28, 31, 33 и 36 подключены к входному зажиму A. Фазные обмотки 21, 24, 26, 29, 34 и 37 подключены к входному зажиму В. Фазные обмотки 22, 25, 27, 30, 32 и 35 подключены к входному зажиму C. Другие выводы упомянутых фазных обмоток трехфазных обмоток 14-19 подключены к переменным входам соответствующих коммутирующих элементов 7-12, каждый из которых выполнен в виде трехфазного диодного моста с электронным ключом (38-43) в цепи постоянного тока. Фазные обмотки 20, 23, 26,29, 32 и 35 относятся к фазе A, фазные обмотки 21, 24, 27, 30, 33 и 36 относятся к фазе B, фазные обмотки 22, 25, 28, 31, 34 и 37 - к фазе C.
Частотный электропривод работает следующим образом.
Преобразование трехфазного переменного тока в частотном электроприводе основано на принципе трехполосной модуляции, в котором модулирующая функция формирования выходной частоты и выходного напряжения в каждой фазе статора реализуется путем циклических подключений трехфазных обмоток 14-19 к трехфазной питающей сети 13 через равные интервалы времени одновременно по трем фазам по круговой диаграмме, а их отключение осуществляется в пределах прямой и обратной полуволн фаз входного трехфазного напряжения.
1
c
c
1
На фазах обмоток статора электродвигателя формируется переменное трехфазное напряжение с частотой «f», которая определяется выражением f=f-f, где f - частота сети трехфазного переменного тока, f - частота следования управляющих импульсов, поступающих от блока управления (на чертеже не показано) на электронные ключи 38-43.
1
c
c
1
Таким образом, если необходимо в обмотках статора электродвигателя получить трехфазный переменный ток с частотой 50 Гц, то частота следования управляющих импульсов на ключи 38-43 должна составлять 100 Гц. Если необходимо получить на обмотках статора электродвигателя трехфазный переменный ток с частотой 400 Гц, то частота управления ключами 38-43 должна быть равной 450 Гц. При равенстве частот управления и сети в обмотках статора будет формироваться постоянный ток. Если частота управления f будет меньше f, то в статорных обмотках электродвигателя изменится порядок чередования фаз, а частота будет равна f=f-f.
1
Например, если f=40 Гц, то получим частоту 10 Гц, но с изменившимся порядком следования фаз. Таким образом будет обеспечиваться регулирование скорости вращения асинхронного электродвигателя вверх и вниз от синхронной, обеспечиваться его реверс, а также - его вращение в другую сторону в диапазоне от нуля до скорости близкой к синхронной.
Амплитуда напряжения в фазах статора электродвигателя является суммой напряжений, формируемых на всех трех фазных обмотках всех частей статора электродвигателя. Так, для фазы A статора оно будет суммой напряжений, формируемых фазными обмотками 20, 23, 26, 29, 32 и 35.
Количество импульсов «n» в формируемом фазном напряжении статора в течение периода для каждой частоты определяется выражениями:
1
c
1
c
при f>fи  при f<f,
где m - количество трехфазных обмоток.
Плавное регулирование амплитуды напряжений в обмотках статора электродвигателя осуществляется за счет изменения продолжительности включенного состояния электронных ключей 38-43 (транзисторов или тиристоров).
A
На фиг. 3 показана диаграмма формирования напряжения в фазе A (U) статора электродвигателя при включенном состоянии ключей 38-43 в течение 90° (по круговой диаграмме). На фиг. 4 - то же при включенном состоянии ключей 38-43 в течение 60° (по круговой диаграмме) и на фиг. 5 - то же при включенном состоянии ключей 38-43 в течение 30°.
Из диаграмм фиг. 3-5 видно, что форма выходного напряжения при его регулировании остается неизменной. Анализ этой формы кривой показывает, что в ней отсутствуют 5-я и 7-я гармонические составляющие, что обеспечивает частотному электроприводу высокие энергетические показатели.
Простота управления, широкий и плавный диапазон регулирования частоты и напряжения на нагрузке (с сохранением неизменной формы кривой напряжения на диаграмме), возможность обмена энергией между нагрузкой и питающей сетью обеспечивают частотному электроприводу возможность использования в различных областях: в реверсивном электроприводе, высокочастотном электроприводе, в высокочастотных источниках электропитания.
Таким образом, благодаря особенности исполнения частотного электропривода изобретение обеспечивает возможность повышения эффективности процесса преобразования частоты, расширения функциональных возможностей и области использования частотного электропривода. Вместе с этим изобретение обеспечивает возможность уменьшения массогабаритных показателей частотного электропривода.