МАЛОВЕНТИЛЬНЫЙ ЧЕТЫРЁХКВАДРАНТНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМ
FOUR-QUADRANT LOW-VOLTAGE AC DRIVE AND METHOD OF ITS CONTROL

Изобретение относится к преобразовательной технике, получающей применение в регулируемых электроприводах переменного тока. Массовое применение асинхронных электроприводов стимулирует развитие сравнительно дешевых маловентильных преобразователей для регулирования асинхронных двигателей по принципу высокочастотной, изменяемой широтно-импульсным способом вольтодобавки (см., например: 1) Сидоров С.Н., Старостина Я.К. Пускорегулирующие устройства для асинхронного электропривода на диодно-транзисторных модулях. // Известия вузов Электромеханика. 2015, №4(540), с. 42-50. 2) Патент РФ №2249895, Н02J 3/00, Н02М 5/00.
К числу достоинств данных регуляторов следует отнести простоту исполнения при минимальном количестве транзисторных ключей, а также высокое качество напряжения и тока в статорных обмотках электродвигателя, обусловленное высокой частотой переключений транзисторов.
Наиболее близкое по технической сущности решение представлено в изобретении (см. Патент РФ №2294592, Н02Р 1/16). Общие признаки прототипа и предлагаемого технического решения заключаются в наличии регулятора импульсного напряжения в статорных обмотках асинхронного двигателя, выполненного в виде трехфазного вольтодобавочного трансформатора, первичные обмотки которого своими первыми выводами подключены к прямо чередующимся фазам источника сетевого напряжения, а вторичные обмотки, включенные встречно-последовательно со статорными обмотками двигателя, присоединены к тем же фазам сетевого источника и тем самым служат для создания встречного напряжения вольтодобавки, при этом нулевая точка в цепях соединения первичных обмоток трансформатора по схеме звезды образована присоединением их вторых выводов к зажимам переменного тока первого трехфазного диодного моста, между зажимами постоянного тока которого в проводящем направлении включен силовой транзисторный ключ, параллельно которому посредством разделительного диода присоединена "RC"-цепь защиты от коммутационных перенапряжений.
Общие признаки предлагаемого способа управления маловентильным электроприводом и названного прототипа состоят в регулировании напряжения в статорных обмотках асинхронного двигателя путем суммирования трехфазного напряжения питающей сети с регулируемым широтно-импульсным способом встречным напряжением в прямо чередующихся фазных обмотках трехфазного вольтодобавочного трансформатора.
Недостаток данного решения состоит в ограниченных функциональных свойствах электропривода, не позволяющих работать данному устройству во всех квадрантах механических характеристик.
Технический результат предлагаемого изобретения - расширение функциональных возможностей за счет придания этому устройству свойств реверсивного четырехквадрантного электропривода, регулирование которого было бы возможным как в двигательном, так и тормозном режимах при вращении двигателя в обоих направлениях.
Для достижения технического результата в состав названного устройства предлагается включить второй трехфазный вольтодобавочный трансформатор, первичные обмотки которого, соединенные также по схеме звезды, своими первыми выводами подключены к обратно чередующимся фазам указанного сетевого источника а вторичные обмотки, включенные согласно последовательно со статорными обмотками двигателя, присоединить к тем же фазам сетевого источника для создания согласного напряжения вольтодобавки, при этом нулевая точка в цепях соединения первичных обмоток второго вольтодобавочного трансформатора по схеме звезды должна быть образована присоединением их вторых выводов к зажимам переменного тока второго трехфазного диодного моста, между зажимами постоянного тока которого в проводящем направлении включить второй силовой транзисторный ключ, параллельно которому посредством разделительного диода присоединена аналогичная "RC"-цепь защиты от коммутационных перенапряжений.
0
mах
С целью возможности регулирования асинхронного двигателя во всех четырех квадрантах механических характеристик ω(М) при изменении частоты вращения ω=0±ω и электромагнитного момента М=0±М предлагается суммировать результирующее трехфазное напряжение в статорных обмотках двигателя с приложенным в согласном направлении обратно чередующимся напряжением в обмотках второго трехфазного вольтодобавочного трансформатора, причем для работы в первом квадранте при ω≥0; М≥0 или четвертом квадранте при ω≤0; М≥0 напряжение в обмотках первого трансформатора следует регулировать, а напряжение в обмотках второго трансформатора сохранять на нулевом уровне в то время, как для работы во втором квадранте при ω≥0;М≤0 или третьем квадранте при ω≤0; М≤0 напряжение в обмотках первого трансформатора сохранять на постоянном уровне, равном напряжению питающей сети, а напряжение в обмотках второго трансформатора регулировать.
На фиг. 1 приведена схема маловентильного четырехквадрантного электропривода переменного тока, а на фиг. 2 - результаты испытаний данного устройства методом компьютерного моделирования. Для иллюстрации функциональных возможностей предлагаемого привода на фиг. 3 приведены его механические характеристики во всех четырех квадрантах.
1
2
уп1
уп2
оп
Схема содержит асинхронный короткозамкнутый двигатель 1, статорные обмотки которого присоединены к источнику трехфазного сетевого напряжения 2 посредством последовательно встречно включенных вторичных обмоток первого трехфазного вольтодобавочного трансформатора 3 и последовательно согласно включенных вторичных обмоток аналогично выполненному второму вольтодобавочному трансформатору 4. Первичные обмотки тансформатора 3 соединены по схеме звезды, для чего их первые выводы присоединены к прямо чередующимся фазам сетевого источника 2, а вторые выводы объединены в нулевую точку звезды посредством первого коммутирующего устройства 5. Первичные обмотки трансформатора 4 также соединены по схеме звезды, однако их первые выводы присоединены к обратно чередующимся фазам общего сетевого источника, а вторые выводы объединены в нулевую точку звезды посредством второго коммутирующего устройства 6. В обоих случаях роль коммутирующих устройств выполняет трехфазный диодный мост, между зажимами постоянного тока которого в проводящем направлении включен силовой транзисторный ключ, зашунтированный "RC"-цепью для защиты от коммутационных перенапряжений. Управление транзисторными ключами осуществляется с помощью устройств широтно-импульсного регулирования (ШИР, ШИР) 7. Полагается, что выработка отпирающих импульсов на выходах последних происходит традиционным способом в результате сравнения управляющих сигналов x, x и высокочастотного опорного сигнала x пилообразной формы. При этом изменение управляющих сигналов по уровню изменяет длительность включенного состояния транзисторов, приводя тем самым к пропорциональному изменению действующего значения напряжения вольтодобавки во вторичной обмотке трансформатора.
2
уп2
1
уп1
о
nm
ах
уп1
1
уп1
о
nm
ах
Принцип действия электропривода рассмотрим вначале на примере работы в первом квадранте механических характеристик при ω≥0; М≥0 (см. фиг. 2, 3). Согласно предлагаемому способу, напряжение в обмотках второго трансформатора в этом случае должно оставаться нулевым, что достигается установкой управляющего сигнала на входе ШИР х=0, в то время как напряжение в обмотках первого трансформатора подлежит регулированию, для чего необходимо изменять управляющий сигнал на входе ШИР x=0-х. Соответствующие изменения встречного напряжения вольтодобавочного трансформатора 3 будут приводить к обратным изменениям результирующего напряжения в статорных обмотках двигателя. При этом установка x=0 способна обеспечить работу двигателя при полном напряжении сети на естественной механической характеристике (точка t), а в случае х→х на искусственной характеристике при пониженном напряжении, что необходимо, например, для осуществления плавного пуска асинхронного двигателя.
уп1
onmax
уп2
уп2
уп1
о
nm
ах
уп2
3
уп1
уп2
Для перевода двигателя в режим торможения противовключением и последующего реверса необходимо изменить порядок чередования трехфазного напряжения питания. В предлагаем автоматизированном электроприводе указанные функции выполняются бесконтактным способом, для чего, как показано на фиг. 2, достаточно установить управляющие сигналы x=x; х>0. Согласно предлагаемому способу, это приведет к появлению во вторичной обмотке трансформатора 3 максимального встречного напряжения, в результате чего в составе результирующего статорного напряжения сетевая составляющая с прямым чередованием фаз будет скомпенсирована, то есть равна нулю. Зато в соответствии с х>0 в составе этого напряжения появится составляющая с обратным чередованием фаз, что приведет к изменению направления вращения электромагнитного поля двигателя. Вращение электромагнитного поля и вала двигателя в разных направлениях вызовет переход рабочей точки из первого во второй квадрант механических характеристик с координатами ω≥0; М≤0, то есть в режим торможения противовключением. Последующее снижение скорости вала до нуля при сохранении управляющих сигналов х=х; х>0 приведет к разгону двигателя в обратном направлении вплоть до установившегося состояния в точке t при ω≤0;М≤0. Возвращение рабочей точки в первый квадрант потребует установки исходных значений управляющих воздействий на входах блока 7 x=0, х=0. Согласно предлагаемому способу управления это приведет к обнулению напряжений во вторичных обмотках обоих трансформаторов, в связи с чем результирующее напряжение в статорных обмотках двигателя будет равно напряжению сетевого источника. Изменившееся под воздействием этого напряжения направление вращения электромагнитного поля вызовет переход рабочей точки из третьего в четвертый квадрант с координатами ω≤0;М≥0, означающий замену двигательного режима на режим торможения противовключением с последующим разгоном двигателя в прямом направлении.
Представленные на фиг. 2 результаты компьютерного моделирования подтверждают работоспособность предлагаемого электропривода. В отличие от известных решений его силовая схема выполнена с применением минимального количества полупроводниковых ключей, что тем не менее не повлекло к заметному ухудшению качества напряжений и токов как в цепях питания статорных обмоток двигателя, так и на сетевом входе электропривода.