ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ГЕНЕРАТОРНЫМ ТОРМОЖЕНИЕМ
CONVERTER OF ELECTRIC DRIVE ENERGY WITH GENERATOR BRAKING

Изобретение относится к электротехнике, в частности к силовым частям следящих электроприводов, в которых преобразователь энергии должен осуществлять передачу накопленной энергии маховых масс и возмущающих (активно нагружающих) моментов на валу привода в питающую сеть с целью решения задачи энергосбережения.
Изобретение может найти применение в системах автоматического управления антеннами кругового обзора в главных приводах грузоподъемных механизмов и в оборудовании, предназначенном для создания нагружающих моментов при испытаниях следящих систем.
Известно устройство для питания двигателей следящих систем, содержащее выпрямитель из диодно-транзисторных пар, звено постоянного напряжения и инвертор. Для управления транзисторами выпрямителя в режиме рекуперации применены датчики токов питающей сети и регуляторы токов, выходы которых связаны через драйверы со входами транзисторов выпрямителя (Следящие приводы. Т.2/ Под ред. д.т.н., профессора Б.К.Чемоданова, стр.690).
Недостатками этих известных устройств являются сложность и достаточно высокая стоимость.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для питания асинхронного двигателя, содержащее клеммы А, В, С для подключения трехфазной сети, трехфазный мостовой выпрямитель с положительной и отрицательной шинами и с диодно-транзисторными парами, средние точки которых подключены к клеммам А, В, С, ограничитель токов выпрямителя, состоящий из параллельно включенных резистора и коммутатора, звено постоянного напряжения из конденсаторов, инвертор с выходами для подключения электродвигателя и измерительный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к клеммам А и В (Каталог продукции и применений-99, часть 1, Корпорация Триол, 1999 г.).
Недостатком указанного устройства, выбранного за прототип, является невысокая надежность работы выпрямителя в режиме рекуперации энергии, связанная с применением сложной системы формирования импульсов управления транзисторами выпрямителя.
Целью изобретения является повышение надежности работы преобразователя энергии при колебаниях напряжения питающей сети за счет жесткой связи фазы и длительности импульсов управления транзисторами выпрямителя с параметрами фазных напряжений сети.
Указанная цель достигается тем, что введены резисторная звезда со средней точкой, три инвертирующих повторителя напряжений, первый и второй трехфазные выпрямители, регулятор напряжения, шесть узлов сравнения, три формирователя импульсов, два измерительных трансформатора, первичные обмотки которых подключены соответственно к клеммам В и С, С и А, а вторичные обмотки всех измерительных трансформаторов соединены в треугольник с клеммами а, b, с, которые подключены к резисторной звезде, при этом управляющие входы инвертирующих повторителей напряжений соединены с клеммами а, b, с, которые соединены с первым трехфазным выпрямителем, а выходы инвертирующих повторителей напряжений подсоединены ко второму трехфазному выпрямителю, при этом выходы первого и второго выпрямителей соединены между собой и через регулятор напряжения связаны с опорными входами узлов сравнения, при этом управляющие входы первого, второго и третьего узлов сравнения подключены к клеммам а, b, с, а выходы этих узлов сравнения подключены через формирователи импульсов к управляющим входам транзисторов трехфазного мостового выпрямителя из диодно-транзисторных пар, коллекторы которых соединены с положительной шиной, управляющие входы четвертого, пятого и шестого узлов сравнения подключены к выходам инвертирующих повторителей напряжений, а выходы этих узлов сравнения подключены через формирователи импульсов к управляющим входам транзисторов диодно-транзисторных пар, эмиттеры которых соединены с отрицательной шиной, при этом средняя точка резисторной звезды соединена с общей шиной инвертирующих повторителей напряжения и узлов сравнения, а коммутатор выполнен с односторонней проводимостью на базе тиристора, анод которого подключен к положительной шине трехфазного мостового выпрямителя.
На фигуре 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства.
a
a
На фигуре 2 (пример) показаны напряжения U и U* на входах узлов сравнения.
оп
На фигуре 3 приведена электрическая схема получения U.
На фигуре 4 приведена электрическая схема узла сравнения.
yc1
yc4
На фигуре 5 (пример) показаны импульсы напряжений U, U на выходах узлов сравнения.
Устройство содержит клеммы 1, 2, 3 для подключения шин А, В и С промышленной трехфазной сети переменного тока, например, сети 220 (380) В, частоты 50 (400) Гц; управляемый трехфазный мостовой выпрямитель 4 из диодно-транзисторных пар (5, 6), (7, 8), (9, 10); ограничитель токов 11 выпрямителя 4 в составе ограничительного резистора 12 и коммутатора 13 с односторонней проводимостью в виде тиристора; звено постоянного напряжения 14 из конденсаторов 15; инвертор 16 из транзисторно-диодных полумостов, средние точки которых образуют выходные клеммы 17, 18, 19 для подключения двигателя; три измерительных трансформатора 20, 21, 22, вторичные обмотки которых образуют треугольник с клеммами 23, 24, 25; резисторную звезду 26 со средней точкой 27, три инвертирующих повторителя напряжений 28, 29, 30; два трехфазных выпрямителя 31 и 32; регулятор напряжения 33; шесть узлов сравнения 34, 35, 36, 37, 38, 39; три формирователя импульсов управления 40, 41, 42. При этом средняя точка 27 резисторной звезды 26 соединена с общей шиной 43 инвертирующих повторителей напряжений 28, 29, 30 и узлов сравнения 34, 35, 36, 37, 38, 39, а анод 45 коммутатора 13 соединен с выходом 45 трехфазного мостового выпрямителя 4 из диодно-транзисторных пар.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
AB
BC
CA
выпр
зпн
выпр
Напряжения U, U и U питающей сети поступают на входы 1, 2, 3 (клеммы А, В, С) преобразователя энергии и с помощью выпрямителя 4 преобразуются в напряжение постоянного тока U, которое через резистор 12 (R) заряжает конденсатор 15 (С) звена постоянного напряжения 14 (ЗПН). Коммутатор 13 (К) включается и остается открытым тогда, когда напряжение U на конденсаторе 15 имеет значение (0,7÷0,8)U.
Напряжение питающей сети поступает на первичные обмотки трансформаторов 20, 21 и 22 (T1, T2 и Т3), вторичные обмотки которых соединены по схеме «треугольник» с клеммами 23, 24, 25 (a, b, с), к которым подключены: резисторная звезда 26 (РЗ), входы трех инвертирующих повторителей напряжения 28, 29, 30 и входы трехфазного выпрямителя 31 (В1). Входы второго трехфазного выпрямителя 32 (В2) подключены к выходам инвертирующих повторителей напряжения 28, 29, 30.
a
b
c
a
b
c
a
b
c
a
b
c
a
b
c
Резисторная звезда 26 имеет среднюю точку 27, которая соединена с общей шиной 43. Поэтому напряжения на клеммах а, b и с, измеренные относительно шины 43, являются фазными напряжениями U, U и U треугольника с клеммами а, b и с. Напряжения U*, U* и U*, которые формируются на выходах инвертирующих повторителей напряжения 28, 29, 30, имеют амплитуды, равные амплитудам напряжений U, U и U, при этом фазы напряжений U*, U* и U* отличаются от фаз напряжений U, U и U на 180 электрических градусов соответственно.
a
b
c
A
B
C
A
B
C
Напряжения U, U и U, совпадающие по фазе соответственно с напряжениями U, U и U, питающей сети являются исходными напряжениями, необходимыми для формирования импульсов управления транзисторами 5÷10 выпрямителя 4, осуществляющими протекание токов, в фазы сети U, U, U с целью обеспечения режима рекуперации.
a
b
c
a
b
c
оп
AB
BC
CA
Использование напряжений U, U, U, U*, U*, U* и двух выпрямителей 31 и 32 обеспечивает получение опорного напряжения U*, значение которого определяется параметрами напряжений U, U и U.
a
a
c
На фиг.2 для примера показано напряжение U, которое формируется с помощью фазного резистора трехфазной резисторной звезды 26 и измеряется относительно общей шины 43, также приведено фазное напряжение U*, которое формируется инвертирующим повторителем напряжения 28. (На фиг.2 f - частота питающей сети).
оп
a
b
c
a
b
c
На фиг.3 приведена электрическая схема, которая показывает, как можно реализовать получение опорного напряжения U. На этом чертеже напряжения U, U и U поступают на аноды трех диодов выпрямителя 31 (В1), катоды которых объединены, и на входы инвертирующих повторителей напряжений (ИНН) 28, 29, 30. Выходные напряжения U*, U* и U* этих инвертирующих повторителей напряжений поступают на аноды трех диодов выпрямителя 32 (В2), катоды которых соединены между собой и с катодами диодов выпрямителя 31 (В1).
оп
оп
На выходах выпрямителей 31 (В1) и 32 (В2) формируется напряжение U*, преобразуемое в регуляторе напряжения 33 (РН) в U, которое измеряется относительно общей шины 43.
На фиг.4 показана электрическая схема узла сравнения (УС). По этой схеме выполнены все узлы сравнения 34, 35, 36, 37, 38, 39.
оп
упр
оп
a
b
c
a
b
c
Узел сравнения имеет вход «оп» для опорного напряжения U, вход «упр» для управляющего напряжения U и общую шину 43. Узел сравнения выполняется на базе операционного усилителя, например, типа 140УД6. На вход «оп» узла сравнения поступает напряжение U с выхода регулятора напряжения РН. На вход «упр» поступает одно из напряжений U, U, U, U*, U* и U*.
a
a
оп
На фиг.5 в качестве примера показаны напряжения U и U* и U, которые поступают на узлы сравнения 34 и 37.
По результатам сравнения сигналов на входах этих узлов сравнения на их выходах формируются импульсы напряжения прямоугольной формы. Требуемая длительность импульсов управления транзисторами 5÷10 определяется регулятором напряжения 33.
A
B
C
Из технической литературы известно, что работа устройств, которые должны осуществлять передачу энергии из звена постоянного напряжения в питающую сеть, осуществляется без аварии в силовом выпрямителе тогда, когда на управляющие входы силовых полупроводниковых ключей выпрямителя В поступают импульсы напряжения с длительностью не более 120 электрических градусов и с фазой, строго привязанной к фазным напряжениям питающей сети U, U и U.
a
b
c
a
b
c
a
b
c
A
B
C
AB
BC
CA
Предлагаемое устройство обеспечивает подачу на управляющие входы узлов сравнения 34÷39 напряжений U, U, U, U*, U* и U*, которые образуют шестифазную звезду, при этом исходные напряжения U, U и U (см. фиг.1) совпадают по фазе с фазными напряжениями U, U и U питающей сети с линейными напряжениями U, U и U. Это достигается применением трех измерительных трансформаторов 20, 21, 22 и резисторной звезды 26 со средней точкой 27, соединенной с общей шиной 43 инвертирующих преобразователей напряжений 28-30 и узлов сравнения 34-39.
уc1
уc4
оп
макс
макс
a
b
c
a
b
c
На фиг.5 положительные импульсы напряжений U, U на выходах узлов сравнения 34 и 37 показаны с шириной 120 электрических градусов, что обеспечено выбором |U|=0,5U, где U является амплитудой синусоидальных напряжений U, U, U, U*, U* и U*.
Напряжения с выходов узлов сравнения 34÷39, пройдя через формирователи импульсов управления 40, 41, 42 (драйверы по современной терминологии), открывают транзисторы 5÷10. При этом открывание этих транзисторов приведет к поступлению в питающую сеть энергии, накопленной конденсаторами звена постоянного напряжения 14 в результате работы в генераторном режиме двигателя электропривода (режим торможения маховых масс на валу электропривода или противодействие возмущающим моментам, стремящимся разогнать привод сверх заданной скорости, например ветер, дисбаланс).
оп
макс
оп
макс
В тех случаях, когда энергия генераторного режима невелика, целесообразно уменьшить угол открывания транзисторов выпрямителя 4. Для этого с помощью регулятора напряжения 33 устанавливают |U|>0,5|U|. При |U|=|U| возврат энергии в сеть осуществляться не будет, так как транзисторы выпрямителя 4 будут закрыты.
Для того чтобы в режиме рекуперации энергии в сеть токи, протекающие по открытым транзисторам выпрямителя 4, имели конечное расчетное значение, в контур протекания этих токов включен ограничительный резистор 12.
ЗПН
выпp
ЗПН
выпр
ЗПН
выпр
При подаче напряжений питания резистор 12 ограничивает токи в диодах выпрямителя 4 и конденсаторе 15. В режиме рекуперации, когда напряжение U>U, тиристор 13 не может проводить ток разряда конденсатора 15 (ток рекуперации) и ток рекуперации протекает через резистор 12 (R), а его значение определяется по формуле (U-U)/R. В этом случае осуществляется автоматическое управление значением тока рекуперации, протекающего по открытым транзисторам выпрямителя 4, при этом значение этого тока тем больше, чем больше разность U-U.
ЗПН
выпр
Когда напряжение на конденсаторе 15 упадет до значений U-U, тиристор 13 откроется и конденсатор 15 и инвертор 16 будут питаться током, протекающим через тиристор 13.
Известно, что надежная работа преобразователя энергии в режиме рекуперации энергии в сеть зависит от точности формирования фазы и длительности импульсов управления транзисторами выпрямителя 4.
AB
BC
CA
Если формировать эти импульсы по жесткой программе, то при колебаниях значений напряжений и частоты питающей сети возможны режимы работы выпрямителя с короткими замыканиями линейных напряжений U, U и U через открытые транзисторы 5-10.
Если ограничивать углы открывания транзисторов 5÷10 с учетом разброса значений напряжения и частоты сети, то происходит существенное ограничение значения рекуперируемой энергии.
В предлагаемом устройстве формирование импульсов управления транзисторами 5÷10 строго связано с параметрами напряжений питающей сети.
a
b
c
a
b
c
оп
a
b
c
a
b
c
оп
Например, при изменении значений амплитуды напряжений питающей сети будет происходить изменение амплитуды напряжений U, U, U, U*, U* и U* и одновременно изменение опорного напряжения U. При этом моменты времени начал и концов сравнения фазных напряжений U, U, U, U*, U* и U* с напряжением U и соответственно длительности формируемых импульсов управления для транзисторов 5÷10 не будут претерпевать изменений.
Такое построение преобразователя энергии повышает надежность его работы при колебаниях параметров питающей сети без уменьшения значения предельно возможной мощности (энергии), возвращаемой в питающую сеть.
Собран и испытан макет преобразователя энергии при колебаниях значений параметров сети до 20%. При этом изменения параметров импульсов управления транзисторами выпрямителя 4 не наблюдалось, что подтвердило достижение поставленной цели предлагаемым устройством.