СХЕМА ИСПЫТАНИЯ ЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С МНОГОУРОВНЕВЫМ ИНВЕРТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для испытания серийных высоковольтных частотных электроприводов с многоуровневым инвертором напряжения, а также для испытания серийных низковольтных частотных электроприводов с электродвигателями переменного тока.
В настоящее время в устройствах (патенты на ПМ №2462728 и на ПМ №2498334) для испытаний частотно-управляемых гребных электроприводов в условиях стенда применяются генератор постоянного тока, двигатель постоянного тока, гребной асинхронный электродвигатель, асинхронный электродвигатель для рекуперации электроэнергии в сеть и два полупроводниковых преобразователя для питания обмоток возбуждения и испытываемый преобразователь частоты. Устройство позволяет повысить эффективность испытаний системы электропривода с частотно-управляемым асинхронным гребным электродвигателем за счет снижения потерь активной мощности, а также эффективность управления рекуперацией энергии в сеть. Недостатком данного устройства являются значительный расход электроэнергии, так как сеть перегружается гармоническими составляющими тока от испытываемого преобразователя частоты, а также сложность конструкции стенда, который приводит к ухудшению массо-габаритных показателей устройства.
В автоматизированном стенде для исследования и испытания электроприводов (патент на ПМ №122781), содержащем испытуемый асинхронный двигатель, преобразователь частоты, нагружающее устройство типа «механический тормоз» и дополнительное нагружающее устройство, состоящее из генератора постоянного тока и тиристорного преобразователя для инвертирования энергии рекуперации в сеть. Стенд имеет уменьшенные массо-габаритные показатели. Однако, сеть будет перегружается гармоническими составляющими тока от испытываемого преобразователя частоты и от инвертирования энергии рекуперации.
В автоматизированном стенде для испытания частотно-регулируемых асинхронных двигателей (патент на ПМ №41877), содержащем преобразователь частоты с испытуемым асинхронным двигателем, сочлененным с нагрузочным асинхронным двигателем, нагрузочный преобразователь частоты с тормозным резистором. Энергия торможения выделяется на резисторах, и сеть перегружена гармоническими составляющими тока от испытываемого преобразователя частоты и от нагрузочного преобразователя частоты.
В настоящее время для испытания асинхронных двигателей получили широкое применение схемы (патент на ПМ №80018), использующие метод взаимной нагрузки, содержащие два одинаковых двигателя, механически соединенных друг с другом посредством муфты, преобразователь частоты и две группы контакторов. Каждая из групп контакторов обеспечивает возможность соединения соответствующего двигателя с сетью напрямую или через преобразователь частоты. В такой схеме электрические двигатели соединены так, что один из них, работая в режиме генератора, отдает всю выработанную им электрическую энергию второму двигателю, работающему от преобразователя частоты, который, в свою очередь, расходует всю развиваемую механическую энергию, на вращение первого двигателя. В этом случае сеть перегружается гармоническими составляющими тока от преобразователя частоты. Такое техническое решение не позволяет испытывать асинхронные электродвигатели в широком диапазоне мощностей и частот вращения ротора.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип предлагаемого изобретения, является схема испытания асинхронных электродвигателей методом их взаимной нагрузки (патент на ПМ №140678). Схема испытаний состоит из двух однотипных преобразователей частоты, получающих питание от трехфазной сети, двух однотипных испытуемых асинхронных двигателей, механически соединенных между собой посредством муфты и получающих питание от преобразователей частоты. Преобразователи частоты, используемые в схеме испытаний, состоят из неуправляемых выпрямителей, звеньев постоянного тока и управляемых инверторов. Преобразователи частоты с помощью шины постоянного тока соединены звеньями постоянного тока частотных преобразователей. Подведенное трехфазное напряжение, требуемой амплитуды и частоты, подается для питания испытуемых асинхронных двигателей. Для реализации режима взаимной нагрузки необходимо уменьшить частоту вращения магнитного поля на одном из асинхронных двигателей по сравнению с частотой вращения вала. Электродвигатель, получающий напряжение от преобразователя с меньшей частотой, переходит в генераторный режим. Вырабатываемая генератором электрическая энергия поступает в звено постоянного тока преобразователя частоты, питающего генератор, и далее по шине постоянного тока поступает в звено постоянного тока преобразователя частоты, который осуществляет питание испытуемого двигателя.
Использование типовых преобразователей частоты привело к упрощению схемы испытаний, а использование метода взаимной нагрузки электродвигателей в процессе испытаний двигателей обеспечило высокую энергетическую эффективность схемы испытаний.
Ввиду вышесказанного схема испытаний асинхронных электродвигателей методом их взаимной нагрузки (патент на ПМ №140678) имеет по сравнению с устройствами (патенты на ПМ №2462728, ПМ №2498334 и на ПМ №122781) для испытаний частотно-управляемых электроприводов меньшую массо-габаритные показатели, высокую энергетическую эффективность, так как потери активной мощности сети идут только на компенсацию потерь в электродвигателях.
При проведении типовых испытаний (нагрузочных испытаний) нагрев транзисторов силовых блоков в любой фазе многоуровневого инвертора напряжения протекает по-разному и зависит от частоты вращения ротора электродвигателя и способов управления многоуровневым инвертором напряжения. Использование схем (патенты на ПМ №2462728, ПМ №2498334 и на ПМ №122781) для испытаний частотно-управляемых электроприводов требует значительного расхода электроэнергии, а испытания мощных высоковольтных частотных электроприводов с многоуровневым инвертором напряжения могут быть ограничены мощностью сети.
Целью предлагаемой полезной модели является расширение функциональной возможности схем испытаний асинхронных электродвигателей методом их взаимной нагрузки (патент на ПМ №140678) для испытания, как для низковольтных электроприводов, так и для мощных высоковольтных частотных электроприводов с многоуровневым инвертором напряжения.
Поставленная цель достигается тем, что в схеме испытания частотных электроприводов с многоуровневым инвертором напряжения, состоящей из двух однотипных частотных электроприводов, имеющих стендовые электродвигатели, механически соединенные между собой муфтой приводных валов, и многоуровневые инверторы напряжения, содержащие входные трансформаторы, выходные обмотки которых подключены к соответствующим входам силовых блоков (входам выпрямителя), состоящих из выпрямителя, промежуточного контура и инвертора, выходы силовых блоков одноименных фаз (А1, А2, А3), (В1, В2, В3), (С1, С2, С3) соединены последовательно и подключены, соответственно, к одноименным фазам электродвигателя, и отличающейся тем, что совпадающие по знаку входы инверторов (выходы промежуточных контуров) одноименных по обозначению силовых блоков обоих многоуровневых инверторов напряжения соединены между собой.
Устройство, представленное на фиг. 1, работает следующим образом. Подведенное трехфазное напряжение поступает в силовые блоки (А1, А2, А3), (В1, В2, В3), (С1, С2, С3), где преобразуется в постоянное напряжение в промежуточном контуре, инвертируется с помощью управляемых инверторов, состоящих из транзисторов Q1, Q2, Q3 и Q4 (см. фигуры 2 и 3), в переменное напряжение, требуемой амплитуды и частоты и подается для питания стендовых асинхронных двигателей M1 и М2. Для реализации режима взаимной нагрузки необходимо уменьшить частоту вращения магнитного поля на одном из стендовых асинхронных двигателей M1, М2 по сравнению с частотой вращения вала. Вначале разгоняются стендовые двигатели M1, М2 на холостом ходу до определенной частоты вращения, а затем снижают частоту питающего напряжения на одном из частотных преобразователей. Стендовый электродвигатель M1, получающий напряжение от преобразователя с меньшей частотой, переходит в генераторный режим. Вырабатываемая генератором M1 электрическая энергия поступает в промежуточные контуры силовых блоков преобразователя частоты, питающего генератор M1, и далее по соединениям, совпадающих по знаку выходов промежуточных контуров одноименных по обозначению силовых блоков обоих многоуровневых инверторов напряжения поступает в промежуточный контур преобразователя частоты, который питает стендовый двигатель М2.
На основании вышеизложенного расширение функциональной возможности схем испытания асинхронных электродвигателей методом их взаимной нагрузки для испытания низковольтных типовых частотных электроприводов позволяет более чем в 5 раз увеличить энергетическую эффективность. Одновременно уменьшается необходимость в дополнительном стендовом оборудовании, т.е. требуется всего два стендовых электродвигателя, что позволяет значительно уменьшить массо-габаритные показатели и стоимость расходов, которая определяется стоимостью установки двух стендовых электродвигателей.
Расширение функциональной возможности схем испытания асинхронных электродвигателей методом их взаимной нагрузки для испытания типовых мощных высоковольтных частотных электроприводов с многоуровневым инвертором напряжения требует соединения одноименных по знаку входов инверторов (выходов промежуточных контуров) между собой одноименных по обозначению силовых блоков обоих многоуровневых инверторов напряжения. Все преимущества, приведенные выше для схем испытания низковольтных типовых частотных электроприводов, принадлежат схемам испытания типовых мощных высоковольтных частотных электроприводов с многоуровневыми инверторами напряжения. Увеличение энергетической эффективности схем испытания частотных электроприводов с многоуровневым инвертором напряжения позволяет увеличить ограничение мощности сети в 4 раза.