Электропривод переменного тока

Электропривод переменного тока
Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к устройствам для регулирования частоты вращения двигателей переменного тока средней и большой мощности, и предназначено для привода насосов станций водоснабжения, насосов и компрессоров для перекачки нефти и газа, мощных дробилок и мельниц горнорудной промышленности, а также механизмов буровых, прокатных станов и другого оборудования.
Мощные электроприводы переменного тока (мощностью более 320 кВт) содержат, как правило, высоковольтный двигатель переменного тока на напряжение питания 6 кВ и более, преобразователь частоты, в котором использованы высоковольтные силовые ключи, например, тиристоры и систему управления преобразователем частоты (А. А. Булгаков. Частотное управление асинхронными двигателями. Москва, Энергоиздат, 1982 г., стр.202).
Такие мощные приводы используют дорогостоящие высоковольтные силовые ключи и высоковольтный двигатель переменного тока, что ограничивает область их использования.
Одним из путей снижения стоимости мощных электроприводов является применение унифицированных тиристорных низковольтных (до 380 В) преобразователей частоты в высоковольтных мощных приводах переменного тока.
Известно, что мощность преобразователей частоты увеличивается посредством параллельного соединения базовых инверторов. Например, в приводе переменного тока мощностью 2900 кВ-А при напряжении 650 В мощности инверторов тока суммируются с помощью трех силовых трансформаторов со сдвигом фаз вторичных обмоток на 30°, включенных по эквивалентной 18-фазной схеме из трех групп. Электропривод имеет также общий понижающий трансформатор на первичной стороне по схеме треугольник МПК Н02Р7/42
треугольник (A. A, Булгаков. Частотное унравление асинхронными двигателями. Москва, Энергоиздат, 1982 г., стр.202).
Недостатком известного решения является использование трех повышающих и одного понижаюш,его трансформаторов, что приводит к ограничению диапазона регулирования частоты, при этом стоимость повышаюш;его трансформатора соизмерима со стоимостью электродвигателя. Кроме того, в известном электроприводе необходимость обеспечения параллельной работы нескольких инверторов тока приводит к усложнению системы управления.
Также известен мощный электропривод переменного тока, содержащий входной трансформатор, асинхронный высоковольтный двигатель с короткозамкнутым ротором, преобразователь частоты и систему управления. Преобразователь частоты составлен из идентичных блоков (по шесть на каждую фазу), выполненных по трехфазной мостовой схеме выпрямитель-инвертор с одним силовым ключом в плече (ЮВТ-транзистор), при этом входные цепи блоков электрически разделены, выходные - включены последовательно. Система управления преобразователем частоты - многоуровневая ШИМ обеспечивает ПИД - регулирование и полный комплекс защит преобразователя частоты и двигателя. Входной трансформатор служит для преобразования входного напряжения (3 фазы, 6 кВ) в напряжение (18 фаз, 578 В), которое после выпрямления питает блоки преобразователя. Первичная обмотка трансформатора выполнена таким образом, что при подаче на неё входного напряжения она создаёт круговое поле. Вторичные обмотки разделены на три группы по шесть обмоток в каждой. Фазовый сдвиг между первой и шестой обмотками группы равен 50 эл. градусам, а между первыми и вторичными 120 эл. градусам. Каждая выходная обмотка трансформатора нагружена на выпрямитель соответствующего блока преобразователя (Новости приводной техники, .№ 9, январь 2002г., НТЦ «Приводная техника, e-mail: info@privod.ru).
управления преобразователем частоты, обусловленная необходимостью обеспечения работы нескольких блоков преобразователя, (включение силовых ключей каждого блока по заданной программе, синхронизация работы блоков, диагностика и защита), а также использование входного трансформатора сложной конструкции, в результате чего снижается надежность функционирования электропривода.
Кроме того, в электроприводе переменного тока, как и во всех вышеперечисленных аналогах, используется высоковольтный двигатель переменного тока, в результате чего область применения известного привода ограничена только теми областями, в которых нет ограничения на использование высоковольтного оборудования.
Известен также электропривод переменного тока, содержащий трехфазный асинхронный двигатель с расщепленными на две полуобмотки фазными обмотками, соединенными звездой. Каждая фазная полу обмотка представляет собой параллельную ветвь одной фазы и питается от индивидуального преобразователя частоты - инвертора. Электропривод имеет блок управления инверторами и в каждой фазе - блок распределения нагрузки, два датчика тока и сумматор. Управляющие входы преобразователей частоты подключены к выходам распределителя нагрузки (авторское свидетельство СССР №1317633 от 07.02.85,  7/42).
В известном электроприводе переменного тока расщепление фазных обмоток на две параллельные секции приводит к усложнению блока управления преобразователями частоты из-за введения в каждую фазу блока распределения нагрузки и сумматора. При выходе из строя любого из преобразователей частоты, например, при пробое силового ключа, из работы исключается фазная полубмотка, что приводит к аварийному режиму работы электропривода, и в результате к снижению надежности его функционирования. При этом в случае использования высоковольтного электродвигателя в известном техническом решении сохраняются все недостатки, обусловленные необходимостью использования высоковольтных преобразователей частоты.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является электропривод переменного тока, содержащий двигатель переменного тока (п-фазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором) с секционированной статорной обмоткой, преобразователи частоты, выполненные каждый по мостовой схеме с одним силовым ключом в плече и подключенные к соответствующим секциям статорной обмотки, и систему управления преобразователя частоты. Статорная обмотка двигателя состоит из п электрически соединенных фазных обмоток, каждая из которых выполнена в виде изолированных секций по числу ш фаз питающей сети, причем количество секций равно произведению количества фаз двигателя и числа фаз питающей сети - п-ш. Система управления преобразователями включает фазосдвигающие узлы по числу преобразователей частоты, а также общие для всех преобразователей частоты блок задания, формирователь фазных гармонических функций, блок сравнения, тахогенератор и преобразователь аналог - частота. Управляющие цепи каждого преобразователя частоты соединены с выходами соответствующего фазосдвигающего узла через узел развязки. Каждый из фазосдвигающих узлов выполнен по двухканальной схеме и в каждом канале содержит генератор развертывающего напряжения, компаратор, двухвходовый элемент «исключающее - ИЛИ, а второй канал дополнительно содержит сумматор (патент Российской Федерации № 2069033 от 12.06.89, МПК Н 02 Р 7/42).
Надежность функционирования прототипа, как и вышеописанных аналогов, недостаточна из-за усложнения системы управления преобразователями частоты (введены фазосдвигающие узлы по числу преобразователей частоты) и возможности нарушения работоспособности электропривода при выходе из строя преобразователя частоты, поскольку секционированы фазные ветви статорной обмотки электродвигателя.
В основу полезной модели положена задача создания мощного электропривода переменного тока, в котором за счет нового выполнения секций статорной обмотки электродвигателя и упрощения системы управления преоб jj: лгУсГ/. 5
разователями частоты обеспечено повышение надежности его функционирования,
Для решения поставленной задачи в известном электроприводе переменного тока, содержащем двигатель переменного тока с секционированной статорной обмоткой, преобразователи частоты, каждый из которых выполнен по схеме с одним силовым ключом в плече и соединен с соответствуюш,ей секцией статорной обмотки, и систему управления преобразователями частоты, согласно полезной модели, каждая секция статорной обмотки состоит из электрически соединенных фазных ветвей по числу фаз двигателя переменного тока. Количество секций статорной обмотки равно целому числу отношения номинальной мощности двигателя переменного тока к мощности преобразователя частоты. Система управления преобразователями частоты содержит контроллер и приемники сигналов управления по числу преобразователей частоты. Управляющие входы одноименных силовых ключей всех преобразователей частоты через соответствующие приемники сигналов управления подключены к одному выходу контроллера.
Дополнительными отличиями заявляемой полезной модели от прототипа являются следующие признаки:
фазные ветви каждой секции статорной обмотки могут быть соединены звездой или треугольником;
каждый из преобразователей частоты может быть выполнен в виде инвертора напряжения или непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, или непосредственного преобразователя частоты с искусственной коммутацией.
Электропривод переменного тока, выполненный в соответствии с настоящей полезной моделью, - это мощный привод с высокой надежностью функционирования, поскольку секции статорной обмотки выполнены многофазными и состоят из электрически соединенных фазных ветвей по числу фаз электродвигателя в отличие от прототипа, в котором секции - это изолированные участки фазных обмоток, а управляющие входы одноименных силевых ключей всех преобразователей частоты через соответствующие приемники сигналов управления подключены к одному выходу контроллера. При этом преобразователи частоты подают к одноименным фазным ветвям всех секций статорной обмотки электродвигателя идентичные по величине напряжения в одни и те же моменты времени и при совместной работе воссоздают для статорной обмотки режим работы целой, не секционированной обмотки. Заявляемый электропривод переменного тока сохраняет работоспособность даже в случае пробоя силового ключа, так как при отключении одного из преобразователей частоты из работы исключается соответствующая многофазная секция статорной обмотки, а электродвигатель продолжает работать в обычном режиме. Это условие сохраняется при соединении фазных ветвей и звездой, и треугольником, а также в случае выполнения преобразователя частоты по схеме инвертора напряжения, непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией или непосредственного преобразователя частоты с искусственной коммутацией.
В предлагаемом электроприводе упрощена система управления преобразователями частоты, так как исключена необходимость использования специальных узлов формирования фазных токов, таких как фазосдвигающие узлы в прототипе, а количество и мощность отдельных преобразователей частоты оптимально соответствуют мощности электродвигателя.
Дополнительным преимуществом заявляемой полезной модели является возможность использования как низковольтных, так и высоковольтных электродвигателей, а также и унифицированных низковольтных преобразователей частоты при создании мощных электроприводов переменного тока. Причем при использовании высоковольтных электродвигателей обеспечено качественное повыщение надежности электродвигателя, поскольку секции с высоковольтной изоляцией работают при низких напряжениях.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена функциональная схема электропривода переменного тока (для примера 6
соединения фазных обмоток звездой и выполнения преобразователя частоты в виде инвертора напряжения).
Электропривод переменного тока содержит двигатель 1 переменного тока, преобразователи 2 частоты и систему 3 управления преобразователями 2 частоты.
Двигатель 1 переменного тока, например, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором номинальной мощностью РНОМ  1000 кВ-А, имеет секционированную статорную обмотку, выполненную в виде изолированных идентичных секций 4. Каждая секция 4 выполнена многофазной, например, трехфазной, и состоит из электрически соединенных фазных ветвей по числу фаз двигателя 1, например, трех фазных ветвей. Фазные ветви каждой секции 4 соединены звездой. Каждая секция 4 подключена к соответствующему преобразователю 2 частоты.
Преобразователи 2 частоты выполнены по схеме с одним силовым ключом 5 в плече в виде инвертора напряжения. В качестве силовых ключей 5 использованы, например, тиристоры. Выходная мощность преобразователя 2 частоты, например, РВЫХ-  50 кВ-А.
Количество секций 4 статорной обмотки равно целому числу отношения номинальной мощности двигателя 1 к выходной мощности преобразователя 2 частоты, т. е. при РНОМ ЮОО кВ-А и РВЫХ-  50 кВ-А, п  РНОМ/РВЫХ- - 20 секциям 4.
Система 3 управления преобразователями 2 частоты содержит контроллер 6 и по числу преобразователей 2 частоты приемники 7 сигналов управления, а также не представленные на чертеже узлы токовой и температурной защиты, блоки диагностики и защиты, датчики фазных токов и напряжения. Управляющие входы 8-13 одноименных силовых ключей 5 всех преобразователей 2 частоты через соответствующий приемник 7 сигналов управления подключены к одному выходу 14-19 контроллера 6, соответственно, который выполнен, например, на базе микропроцессора. Каждый из приемников 7 управляющих сигналов содержит, например, драйверы силовых ключей 5 (на 1
чертеже не приведены) по числу последних. Каждый драйвер силового ключа 5 выполнен со свойствами защиты силовых ключей 5 от токов короткого замыкания и фиксированием выключенного состояния силового ключа 5 до прихода сигнала сброса защиты.
Работает электропривод переменного тока следующим образом.
Контроллер 6 генерирует управляющие импульсы для силовых ключей 5 каждого из преобразователей 2 частоты и передает их на приемники 7 сигналов управления и далее на драйверы силовых ключей 5 и на управляющие входы силовых ключей 5. На управляющие входы 8-13 одноименных силовых ключей 5 всех преобразователей 2 частоты управляющие импульсы подаются одновременно.
Преобразователи 2 частоты запитывают соответствующие им секции статорной обмотки идентичными по величине напряжениями в одни и те же моменты времени и при совместной работе воссоздают для статорной обмотки режим работы целой, не секционированной статорной обмотки. Это условие сохраняется при соединении фазных ветвей и звездой, и треугольником, а также в случае выполнения преобразователя 2 частоты по схеме инвертора напряжения, непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией или непосредственного преобразователя частоты с искусственной коммутацией.
От каждого приемника 7 управляющих сигналов на контроллер 6 поступают сигналы защиты от короткого замыкания максимальной токовой защиты, температурной защиты фазных токов и напряжений и т.д.
Контроллер 6 задает уровень максимальной токовой защиты, который устанавливается по мгновенному значению максимально допустимого выходного тока преобразователя 2 частоты, и корректирует работу каждого преобразователя 2 частоты по сигналам датчиков фазных тока и напряжения при помощи цифровых алгоритмов обработки сигналов. Контроллер 6 также проверяет правильность функционирования электропривода по сигналам узлов токовой и температурной защит (на чертеже не представлены). При поступлении сигнала защиты контроллер 6 принимает решение об отключении преобразователя 2 частоты и о продолжении работы электропривода с выведенным по защите любым преобразователем 2 частоты.