УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ НА ТРАНСПОРТНОМ СРЕДСТВЕ

Предлагаемое устройство для управления асинхронным электродвигателем предназначено для использования в приводах на транспортном средстве, работающих с переменной скоростью при питании от источника переменного напряжения.
Известно устройство для управления асинхронным электродвигателем транспортного средства, получающее питание от источника переменного напряжения, содержащее преобразователь постоянного напряжения в трехфазное напряжение с регулируемой амплитудой, регулируемой частотой и изменяемым порядком чередования фаз, вход преобразователя постоянного напряжения в трехфазное напряжение подключен к выходу реверсивного однофазного двухполупериодного выпрямителя, а вход однофазного двухполупериодного выпрямителя подключен к выводам автотрансформатора, который соединяется с сетью переменного тока [1]
Недостаток этого устройства заключается в сложности преобразования однофазного переменного напряжения постоянной частоты в переменное напряжение другой частоты, заключающейся в выпрямлении переменного однофазного напряжения в постоянное и в последующем инвертировании постоянного напряжения в переменное напряжение регулируемой частоты.
Широко известно устройство, схема которого - мостовая схема однофазно-трехфазного непосредственного преобразователя частоты -приведена, например, на рис.64, в книге - [6]. Аналогичные устройства упомянуты также в книге [3].
В этом устройстве коммутирующие элементы (тиристоры) от сети однофазного переменного напряжения подключены к дросселю, средняя точка которого соединена с соответствующей фазой статора асинхронного электродвигателя. В этом устройстве (в нем) в каждом из трех однофазных мостовых реверсивных выпрямителей тиристоры катодной и анодной групп соединены на выходе моста через дроссель, средние точки дросселей трех однофазных мостовых реверсивных выпрямителей соединены каждая с одной из фаз статора асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, а параллельно обмоткам статора подключены конденсаторы. Согласованным изменением углов отпирания тиристоров достигается регулирование частоты, величины напряжения и порядка чередования фаз напряжений статора.
Недостаток этого устройства заключается в низких энергетических показателях однофазных выпрямителей, что связанно с фазовым управлением тиристорами в выпрямителях, в недостаточной надежности системы управления, что связанно с неполной управляемостью тиристоров и возможностью сквозных замыканий сети через открытые тиристоры и дроссель, большим весом дросселя уравнительного тока.
Известен двухзвенный преобразователь частоты на полностью управляемых силовых полупроводниковых ключах, что 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 [6], а также [3].
Недостатком данного устройства является возникновение больших перенапряжений на полупроводниковых полностью управляемых ключевых элементах в моменты прерывания ими тока в ветвях схемы с индуктивными элементами. Ограничение величины перенапряжений, возникающих при размыкании ключей, приводит к неизбежному усложнению схемы дополнительными элементами для ограничения напряжения и к дополнительным потерям.
Предлагаемое устройство для управления асинхронным электродвигателем на транспортном средстве с ключевыми элементами между выводами источника однофазного переменного напряжения и выводами обмоток статора асинхронного электродвигателя для управления асинхронным электродвигателем на транспортном средстве с ключевыми элементами между выводами источника однофазного переменного напряжения и выводами обмоток статора асинхронного электродвигателя имеет целью упрощение устройства. Оно построено на преобразовании напряжения сети без промежуточного звена постоянного тока.
Эта цель достигается тем, что устройство содержит подключенный к однофазной сети переменного тока трансформатор с двумя вторичными обмотками, соединенными последовательно и согласно, каждая из фаз асинхронного электродвигателя соединена с концами двух обмоток одного из дросселей, а начала этих обмоток дросселя соединены через ключевые полностью управляемые элементы двухсторонней проводимости с одним из противоположных выводов соединенных последовательно и согласно вторичных обмоток трансформатора.
Каждая из трех фаз (А, В, С) трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя 1 (Фиг.1.) подключена к концам двух обмоток (А1 и А2, В1 и В2, С1 и С2) одного из трех дросселей 2, 3 и 4, а каждое из начал обмоток (A1, А2, B1, В2, C1, С2) дросселей 2, 3 и 4 соединено через свой ключевой элемент двухсторонней проводимости 5, 6, 7, 8, 9 и 10 с началом вторичной обмотки 11 или соединено с концом вторичной обмотки 12 трансформатора 13, причем обмотки 11 и 12 трансформатора 13 имеют общую точку N и включены последовательно согласно, а трансформатор 13 соединен с однофазной сетью 14 переменного тока контактом 15.
В упрощенном варианте устройства (Фиг.2) третья фаза статора асинхронного электродвигателя соединена с общей точкой вторичных обмоток автотрансформатора. Каждая из двух фаз (А.В) трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя 1 подключена к концам двух обмоток (А1 и А2, В1 и В2) одного из двух дросселей 2 и 3, а каждое из начал обмоток (A1, А2, B1, В2) дросселей 2 и 3 соединено через свой ключевой элемент двухсторонней проводимости 5, 6, 7 и 8 с началом вторичной обмотки 11 или соединено с концом вторичной обмотки 12 трансформатора 13, а общая точка N обмоток 11 и 12 соединена с третьей фазой С асинхронного электродвигателя 1.
Устройство работает следующим образом. Напряжение, подаваемое на фазу А двигателя 1, создается поочередным включением и выключением ключей 5 и 6 и формируется из положительной и отрицательной полуволн синусоидальных напряжений обмоток 11 и 12 так, чтобы напряжение фазы двигателя в наибольшей степени соответствовало по форме заданному напряжению. Аналогично работают ключи 7 и 8 при формировании напряжения фазы В, а ключи 9 и 10 - относительно напряжения фазы С двигателя.
Напряжение, подаваемое на фазу В двигателя 1, создается поочередным включением и выключением ключей 7 и 8, а напряжение, подаваемое на фазу С двигателя 1, создается поочередным включением и выключением ключей 9 и 10 подобно описанному выше процессу формирования напряжения фазы А. При этом задаются сдвиги по фазе на выходной частоте задающих напряжений для фазы В двигателя на 120 электрических градусов, а для фазы С - на 240 электрических градусов относительно напряжения фазы А.
В случае векторного управления очередность включения ключей 5, 6, 7, 8, 9 и 10 определяется алгоритмом векторного управления в соответствии с принятой моделью двигателя. В этом случае замыкание ключа 5 при положительной полуволне напряжения обмотки 11 или ключа 12 при отрицательной полуволне напряжения на обмотке 12 аналогично подключению к положительному полюсу в устройствах с промежуточной цепью постоянного тока, а замыкание ключа 5 при отрицательной полуволне напряжения обмотки 11 или ключа 12 при положительной полуволне напряжения на обмотке 12 аналогично подключению к отрицательному полюсу в устройствах с промежуточной цепью постоянного тока.
В том случае, если фаза С двигателя 1 подключается (минуя ключевые элементы) к общей точке N двух вторичных обмоток 11 и 12 трансформатора 13 (Фиг.2), то сдвиг по фазе для фазы В задается в 60 электрических градусов.
Для изменения направления вращения двигателя сдвиги по фазе устанавливаются отрицательными.
Изменением частоты и амплитуды задающих напряжений фаз двигателя выполняется управление скоростью вращения двигателя 1, а управление переключением пар ключей в каждой из фаз формируются энергетические характеристики электропривода.
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 (Фиг.3 и 4), а также (могут использоваться) включенные встречно-параллельно два MOSFET транзистора, выдерживающие приложение напряжения в обратном направлении (Фиг.5).
В некоторых случаях (в роли ключевых элементов) возможно использование встречно-параллельное включение тиристоров, в том числе запираемых тиристоров (Фиг.6).
Применение полностью управляемых ключевых элементов позволяет осуществить такое управление, которое обеспечивает высокий коэффициент мощности устройства по сети и удовлетворительное качество регулирования частоты, амплитуды и порядка чередования фаз трехфазного напряжения, подаваемого на статор асинхронного или синхронного электродвигателя.
Соответствующим управлением (векторным способом) интервалами включения и отключения ключевых элементов из участков входного синусоидального однофазного сетевого напряжения (тока) формируется на каждой из фазных обмоток статора электродвигателя напряжение (ток) близкий по частоте и форме к требуемому.
Причем благодаря наличию среднего вывода двух вторичных обмоток трансформатора в каждый момент времени имеется возможность формировать на фазной обмотке статора электродвигателя участок напряжения положительной или отрицательной полярности, или нулевой величины в соответствии с принципами векторного управления.
В предлагаемом устройстве прерывания тока ключевыми элементами в цепи с индуктивными элементами не происходит благодаря тому, что сигнал на переключение ключевых элементов (например, на отключение ключевого элемента от начала вторичной обмотки трансформатора и на включение ключевого элемента от конца вторичной обмотки трансформатора) производится согласованно, в результате чего запирание одного ключевого элемента и отпирание другого ключевого элемента происходят без прерывания тока дросселя и без изменения направления магнитного поля дросселя. Для ограничения нарастания тока замыкания через переключающиеся ключевые элементы сверх допустимого уровня используются дроссели между переключающимися ключевыми элементами. При переключении ключевых элементов прерывания тока дросселя не происходит, а имеет место лишь перераспределение (коммутация) тока между индуктивно связанными обмотками одного и того же дросселя, т.е. в процессе переключения тока нет изменения суммарного потокосцепления дросселя, нет перемагничивания и не возникает большой э.д.с. самоиндукции, обусловленной прерыванием тока в индуктивности фазы двигателя.
Для уменьшения величины высших гармонических составляющих тока сети может в случае необходимости использоваться фильтр нижних частот между выводами обмоток 11 и 12 и ключами.
Если к энергетическим характеристикам и характеристикам привода не предъявляются высокие требования, в качестве ключевых элементов возможно использование встречно-параллельное включение тиристоров, На выходной частоте существенно меньше сетевой частоты фазовое управление тиристорами в ключевых элементах становится подобным управлению тиристорами в непосредственных преобразователях частоты, образованных из однофазных реверсивных двухполупериодных выпрямителей. В случае использования в ключевых элементах запираемых тиристоров управлением по фазе запирания возможно увеличение cosφ устройства по сети.
Источники информации:
1. Устройство для управления асинхронным электродвигателем транспортного средства, №2007130280 A, RU, от 2009.02.20, МПК Н02Р 7/00, ОАО «Электровыпрямитель»)
2. Судовые статические (полупроводниковые) преобразователи // Ф.И.Ковалев, Г.П.Мосткова, А.Ф.Свиридов, В.Ф.Шукалов // - Л.: Судостроение, 1965. - 242 с., рис.64.
3. Фираго Б.И., Б.С.Готовский, З.А.Лисс «Тиристорные циклоконверторы.» - Минск: изд-во «Наука и техника», 1973. - 296 с.
4. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники // Учебное пособие. Издание 2-е, испр. и доп. Новосибирск, 2003
5. P.W.Wheeler и др. Электромеханический привод с преобразователем «матричного» типа и электрической машиной с постоянными магнитами в приводе руля направления самолета, Силовая Электроника, №4, 2006.
6. A.Alesina, М.Venturini Analysis and Design of Optimum-amplitude Nine-switch Direct AC-AC Converters, IEEE Trans. on Power Electronics, vol.4, no.1, 1989.
7. В.Климов, А.Москалев Трехфазные источники бесперебойного питания: схемотехника и технические характеристики, Электронные компоненты, №8, 2005.
8. Шрейнер Р.Т., Кривовяз В.К., Калыгин А.И. Координатная стратегия управления непосредственными преобразователями частоты с ШИМ для электроприводов переменного тока // Электротехника, 2003. №6. С.30-39.
9. Климов В.П. Источники бесперебойного питания серии ДПК средней мощности, Электрическое питание, №2, 2006.