УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к устройствам для преобразования энергии переменного тока на входе в энергию переменного тока на выходе с промежуточным преобразованием в постоянный ток. Полезная модель предназначена для преобразования однофазного переменного напряжения в трехфазные переменные напряжения, регулируемые по величине и частоте, для управления асинхронными двигателями транспортного средства (например, электровоза переменного тока 3ЭС5К).
Известны различные устройства для управления асинхронным двигателем, обеспечивающие преобразование однофазного переменного напряжения в трехфазное напряжение с регулируемой частотой для питания электродвигателей переменного тока. Известно устройство [1] для управления асинхронным двигателем на запираемых тиристорах, состоящее из двух сетевых четерехквадрантных регуляторов, подключенных к тяговым обмоткам трансформатора, питающих промежуточное звено постоянного напряжения, и импульсного инвертора. Схемные компоненты четырех фаз регулятора и трех фаз инвертора вместе с частью конденсаторов промежуточного звена смонтированы в отдельные блоки. На фиг.1 приведена схема данного устройства.
Недостатками этого устройства являются значительные потери на переключение самозапирающихся тиристоров, а также большие потери в системе управления, что приводит к повышенным затратам на охлаждение и снижению КПД преобразователя.
Известно устройство для управления асинхронным двигателем [2], состоящее из входного диодного выпрямителя, регулятора напряжения в звене постоянного тока и инвертора на IGBT-транзисторах.
На фиг.2 представлена схема данного устройства.
Недостатком данного устройства является сравнительно низкое значение входного коэффициента мощности системы из-за искажения синусоидальности входного тока. Это требует введения пассивных фильтров высших гармоник во входных цепях системы, что приводит к увеличению массогабаритных показателей и возможности возникновения резонансных явлений.
Известен матричный преобразователь частоты [3].
На фиг.3 приведена схема данного преобразователя. Он выполняется на 9-ти двунаправленных ключах, которые способны подключать любую из трех фаз входного напряжения к любой из трех фаз нагрузки.
Недостатком данного устройства является сложность, большое количество ключевых элементов, 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.
Наиболее близким к заявленному объекту по технической сущности является устройство для управления асинхронными двигателями (ШПЧ-150), которое предназначено для преобразования однофазного переменного напряжения в частотно регулируемые трехфазные переменные напряжения для питания асинхронных двигателей вспомогательных машин электровоза, состоящее из 3-х блоков трехфазных инверторов, выполненных на IGBT-модулях, и входного стабилизированного блока тиристорного выпрямителя напряжения, построенного по однофазной мостовой схеме.
Недостатками данного устройства являются невозможность поддержания постоянной величины напряжения в звене постоянного тока при пониженном напряжении в контактной сети, и отсутствие возможности перехода преобразователя в режим рекуперации в случае если двигатель переходит в генераторный режим.
Задачи полезной модели - обеспечение стабилизации оптимальной величины напряжения в звене постоянного тока при значительном понижении величины входного напряжения относительно номинального, при этом заявляемая модель должна обладать возможностью перехода в режим рекуперации, в случае если двигатель переходит в генераторный режим, что улучшает энергетические и динамические свойства преобразователя
Поставленные задачи достигаются тем, что в предлагаемом устройстве для управления асинхронным двигателем, содержащем преобразователи постоянного напряжения в трехфазные напряжения с регулируемыми раздельно для каждого из преобразователей амплитудой и частотой, и активный реверсивный выпрямитель, построенный по однофазной мостовой схеме на IGBT-модулях, подключенный к выводам вторичной обмотки тягового трансформатора, в цепь однофазного переменного тока на входе реверсивного выпрямителя вводится дроссель, а в цепь постоянного напряжения устанавливается LC фильтр и конденсатор, общий для всех преобразователей частоты.
На фиг.4 представлена схема предлагаемого устройства для управления асинхронным двигателем. Активный реверсивный выпрямитель, подключенный к выводам вторичной обмотки трансформатора, образован по однофазной мостовой схеме на 4-х IGBT транзисторах (2, 3, 4, 5) и включенных встречно-параллельно к ним обратных диодах (6, 7, 8, 9). В цепи однофазного переменного тока на входе реверсивного выпрямителя установлен дроссель 1, а в цепи постоянного напряжения установлен LC фильтр 10, настроенный на частоту 100 Гц, предназначенный для подавления второй гармоники напряжения, и конденсатор 11, необходимый для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, общий для всех преобразователей частоты.
Через выпрямитель от обмотки собственных нужд тягового трансформатора питаются преобразователи постоянного напряжения в трехфазные напряжения, регулируемые по величине и частоте, которые образованы по трехфазной инверторной схеме, в каждое плечо которой включен IGBT-транзистор и встречно-параллельно ему включен диод. IGBT-транзисторы управляются широтно-импульсными сигналами, модулированными по синусоидальному закону.
Реверсивный выпрямитель работает следующим образом: в течение положительного полупериода входного напряжения работает диагональная пара обратных диодов 6-9, ток от питающей сети протекает последовательно через дроссель 1, обратный диод 6, нагрузку и обратный диод 9 при этом транзисторы 2, 3 и 5 находятся в закрытом состоянии. Транзистор 4 работает в импульсном режиме. Диоды 6 и 9, отсекают нагрузку и конденсатор фильтра 11 от ключа в нужные моменты времени: когда транзистор 4 открыт, ток протекает через дроссель, запасая в нем энергию, диоды при этом блокируют нагрузку и не позволяют конденсатору фильтра 11 разряжаться через открытый транзистор. В этот момент ток в нагрузку поступает только от конденсатора 11. Далее, когда транзистор 4 запирается, энергия, запасенная дросселем 1, отдается в нагрузку, при этом выходное напряжение оказывается больше входного. Системой управления контролируется напряжение на выходе и регулируется скважность транзистора. В течение отрицательного полупериода входного напряжения происходят аналогичные процессы, но в этот момент работает пара обратных диодов 7-8 и транзистор 5, а остальные обратные диоды и транзисторы находятся в закрытом состоянии. Таким образом, выпрямитель сочетает в себе функции повышающего регулятора, что позволяет поддерживать величину оптимального напряжения в звене постоянного напряжения при значительном понижении величины входного напряжения относительно номинального.
Использование в предлагаемом устройстве активного реверсивного выпрямителя, построенного по однофазной мостовой схеме, в каждом плече которой включен IGBT-транзистор и встречно-параллельно ему включен диод, и преобразователей постоянного напряжения в трехфазные напряжения, регулируемые по величине и частоте, которые образованы по трехфазной инверторной схеме, в каждое плечо которой включен IGBT-транзистор и встречно-параллельно ему включен диод, позволяет обеспечить переход устройства в режим возврата энергии в сеть в момент, когда асинхронный двигатель переходит в генераторный режим. В этом случае реверсивный выпрямитель работает как инвертор напряжения, возвращая энергию в питающую сеть.
Источники информации:
1. «Железные дороги мира», ISSN 0321-1495, №4, 2006
2. В.Климов, А.Москалев «Трехфазные источники бесперебойного питания: схемотехника и технические характеристики», Электронные компоненты, №8, 2005
3. A.Alesina, M.Venturini «Analysis and Design of Optimum-amplitude Nine-switch Direct AC-AC Converters», IEEE Trans. on Power Electronics, vol.4, no.1, 1989;