ЧАСТОТНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД
FREQUENCY ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к преобразовательной технике, получающей применение в частотно-регулируемом электроприводе. Известны частотные электроприводы на основе синхронной (асинхронной) машины переменного тока с двухзвенными преобразователями частоты на базе управляемого нереверсивного выпрямителя (УВ) и автономного инвертора напряжения (АИН) (Энергетическая электроника. Справочное пособие. Пер. с нем. / Под ред. В.А.Лабунцова. М.: Энергоатомиздат, 1987, с.374-388). Особенностью преобразователей указанного типа является отсутствие принципиальных ограничений на мощность устройства, в связи с чем они получают применение в одно- и многодвигательных приводах компрессоров, насосов и вентиляторов в диапазоне мощностей от сотен до нескольких тысяч кВт. В связи с отсутствием альтернативы основной элементной базой мощных преобразователей до сих пор остаются однооперационные тиристоры. Известно, что переключение однооперационных тиристоров инвертора напряжения при питании от источника постоянного напряжения требует применения устройств искусственной коммутации (УИК). Широкое распространение получили конденсаторные устройства искусственной коммутации с отсекающими диодами. Наиболее близкое решение содержится в книге «Тиристорные преобразователи частоты в электроприводе». Под ред. Р.С.Сарбатова. - М.: Энергия. 1980 г. (стр.88).
Указанный аналог состоит из двухзвенного преобразователя частоты с управляемым выпрямителем на сетевом входе и промежуточным звеном постоянного тока на выходе, к полюсам которого посредством параллельно подключенного конденсаторного фильтра присоединен своими входами инвертор напряжения, выполненный по трехфазной мостовой схеме на однооперационных силовых тиристорах полной мощности, шунтированных обратными диодами, в комплекте с устройством искусственной коммутации, необходимым для переключения силовых тиристоров в режимах работы синхронной машины с отстающими фазовыми углами тока относительно напряжения статорных обмоток.
Наличие в составе УИК коммутирующих конденсаторов существенно увеличивает массогабаритные показатели и уменьшает реальный срок службы привода в целом. Совокупная установленная мощность L-C цепей в данных устройствах оказывается соизмеримой с мощностью силовых тиристоров. Наиболее благоприятные условия для решения данной задачи существуют в синхронных машинах, работающих с повышенным напряжением возбуждения. Известно, что данный прием ведет к уменьшению фазового сдвига тока относительно напряжения статорных обмоток и, соответственно, к уменьшению необходимой величины междуфазной коммутирующей ЭДС, создаваемой УИК. Данная особенность позволяет заменить коммутирующие конденсаторы в составе УИК вольтодобавочным трансформатором и вспомогательным транзисторным инвертором значительно меньших габаритов и установленной мощности.
Технический результат - уменьшение мощности и габаритных показателей устройства искусственной коммутации.
Для достижения технического результата предлагается устройство искусственной коммутации выполнить в виде трехфазного вольтодобавочного трансформатора и трехфазного транзисторного инвертора напряжения, имеющих сравнительно малую мощность, причем трехфазный транзисторный инвертор напряжения должен быть подключен своими входами к полюсам звена постоянного тока, а трехфазным выходом - к первичным обмоткам указанного трансформатора, каждая вторичная обмотка которого должна соединять одну из статорных обмоток машины переменного тока с одним из выходов тиристорного инвертора.
На чертеже приведена схема частотного электропривода с предлагаемым устройством искусственной коммутации. Схема содержит управляемый выпрямитель 1, подключенный входами к фазам А, В, С питающей сети. К полюсам звена постоянного тока, образованным выходными зажимами управляемого выпрямителя, посредством параллельно соединенного конденсаторного фильтра 2 подключен своими входами тиристорный инвертор 3 напряжения в комплекте с обратными диодами 4. К выходным зажимам тиристорного инвертора 3 напряжения посредством последовательно включенных вторичных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора 5 подключены статорные обмотки машины 6 переменного тока. Указанный трехфазный вольтодобавочный трансформатор 5 своими первичными обмотками присоединен к выходным зажимам вспомогательного трехфазного транзисторного инвертора 7, входы которого подключены к указанным выше полюсам звена постоянного тока. Управляющие входы инверторов присоединены к выходам системы управления электроприводом 8, получающей входной сигнал ошибки регулирования системы путем сравнения задающего сигнала и сигнала обратной связи с датчика скорости 9.
Работу устройства рассмотрим на одном из интервалов повторяемости процессов в установившемся режиме работы тиристорного инвертора. Для простоты рассуждений будем считать, что управление ключевыми элементами данного устройства происходит при длительности проводящего состояния вентилей λ=2π/3, согласно чему в проводящем состоянии в каждый момент времени будут находиться два тиристора: один - в катодной, а другой - в анодной группах тиристорного инвертора 3 напряжения. Тогда ток нагрузки будет протекать от положительного полюса звена постоянного тока к отрицательному полюсу по цепи, содержащей указанные тиристоры и две присоединенные к ним статорные обмотки машины 6. Для проведения коммутации в катодной группе тиристорного инвертора 3 напряжения необходимо, чтобы суммарное напряжение в цепи очередной фазы превышало аналогичное напряжение выходящей из работы фазы в статорных обмотках машины 6. Благодаря последовательному соединению статорных обмоток машины 6 и вторичных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора 5 каждое из указанных напряжений получается суммированием выходного фазного напряжения тиристорного инвертора 3 напряжения с фазным напряжением вольтодобавки одной из вторичных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора 5. Необходимую полярность напряжения вольтодобавки можно получить за счет фазового сдвига управляющих импульсов, подаваемых на транзисторы вспомогательного трехфазного транзисторного инвертора 7 и тиристоры тиристорного инвертора 3 напряжения. При указанном алгоритме переключений необходимо, чтобы максимум положительной полуволны напряжения вольтодобавки совпадал с точкой естественной коммутации на диаграмме фазных напряжений статорных обмоток машины 6. Как отмечалось, благодаря небольшому фазовому углу тока статорных обмоток синхронной машины величина вольтодобавки оказывается исчезающе малой, что обуславливает незначительность установленной мощности вновь вводимых элементов: трехфазного вольтодобавочного трансформатора 5 и вспомогательного трехфазного транзисторного инвертора 7.
Аналогичным образом будут протекать процессы на других интервалах коммутации. В остальном работа электропривода не отличается от аналога и поэтому здесь не рассматривается.