Электромашинно-вентильная система на базе вентильной машины переменного тока

УДК 621.314.5

ЭЛЕКТРОМАШИННО-ВЕНТИЛЬНАЯ СИСТЕМА НА БАЗЕ ВЕНТИЛЬНОЙ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В.Г. МАКАРОВ, Г.Ф. КРОПАЧЕВ, И.Р. ХАЙРУЛЛИН, А.В. ТОЛМАЧЕВА Казанский государственный технологический университет

Рассматривается принципиальная электрическая схема и принцип работы электромашинно-вентильной системы на базе трехфазного асинхронного двигателя. Отличительной особенностью электрической машины, используемой в составе предлагаемой электромашинно-вентильной системы, является разделение обмотки статора на рабочую и синхронизирующую, а также наличие обмоток управления, расположенных в пазах статора. Показано, что функциональные возможности вентильной машины переменного тока могут быть расширены за счет применения дополнительного полумостового каскада и маломощного вольтодобавочного трансформатора. Сформулированы направления совершенствования конструкции вентильной машины переменного тока.

Ключевые слова: электромашинно-вентильная система, вентильная машина переменного тока, диапазон регулирования.

Электромашинно-вентильные системы (ЭМВС) малой мощности с транзисторными преобразователями и двигателями переменного тока приобретают особое значение при использовании их в установках с автономными источниками постоянного тока и в нестационарных объектах. В подобных установках особенно остро стоит и сложно решается проблема минимизации расхода энергоресурсов, активных материалов и снижения массо-габаритных показателей. Кроме того, большое количество подобных установок и объектов не требуют высокой точности задания скорости и широкого диапазона регулирования. В связи с этим применение преобразователей частоты, имеющих значительные функциональные возможности, в подобных установках нецелесообразно, в том числе и по экономическим показателям. Альтернативой преобразователям частоты в подобных системах могут послужить самовозбуждающиеся магнитно-транзисторные инверторы (МТИ).

Как правило, МТИ строятся на базе мультивибраторов с нелинейным релейным элементом, в качестве которого используется трансформатор с прямоугольной петлей гистерезиса, выполняющий функции задания частоты переключения транзисторов и формирования управляющих импульсов. Системы регулируемого электропривода на базе двигателей переменного тока и МТИ, учитывая принцип действия последних, получили название автогенераторных электромашинно-вентильных систем. Структурная схема автогенераторной ЭМВС с асинхронным двигателем показана на рис. 1.

Автогенераторные схемы управления, предназначенные для работы в составе трехфазных ЭМВС, выполнялись на базе как групповых, так и стержневых трансформаторов с расположенными на них первичными и синхронизирующими обмотками, а также обмотками управления транзисторами. Причем первичные и синхронизирующие обмотки обеспечивают задание частоты, формирование формы, взаимный сдвиг и синхронизацию фазных напряжений, а обмотки управления за счет

© В.Г. Макаров, Г. Ф. Кропачев, И.Р. Хайруллин, А.В. Толмачева Проблемы энергетики, 2009, № 1-2

глубокой положительной обратной связи - управление транзисторами по 180-градусному закону коммутации.

Рис. 1. Структурная схема автогенераторной ЭМВС

Существенным недостатком подобных ЭМВС является высокая трудоемкость отдельного изготовления электродвигателя и входящих в состав автогенераторной схемы управления многообмоточных трансформаторов.

В связи с этим одним из перспективных направлений развития ЭМВС является конструктивное объединение полупроводникового преобразователя, цепей управления транзисторами и электрической машины. Такая конструкция получила название совмещенной [1] и была реализована на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором [2]. Схема предлагаемой вентильной машины переменного тока изображена на рис. 2.

Рассмотрим устройство и принцип действия трехфазной вентильной машины переменного тока (ВМПТ).

Составными частями ВМПТ являются следующие устройства:

1) асинхронный вентильный двигатель (АВД);

2) автономный инвертор напряжения (АИН);

3) вольтодобавочный трансформатор (ВТ);

4) дополнительный полумостовой каскад, управляемый от задающего генератора.

О

Рис. 2. Вентильная машина переменного тока © Проблемы энергетики, 2009, № 1-2

Обмотка статора АВД, в отличие от серийного асинхронного двигателя, разделена на полуобмотки - синхронизирующую I и рабочую II. За счет этого габариты АВД будут несколько больше, чем у обычного асинхронного двигателя той же мощности, питающегося от источника синусоидального напряжения.

Начала синхронизирующих обмоток I подключаются к выходам А, В, С инвертора. Начала рабочих обмоток II соединены между собой и образуют нейтральную точку звезды О. Концы синхронизирующих обмоток соединяются с концами рабочих обмоток последующих фаз.

Обмотки, относящиеся к каждой из фаз АВД, на рис. 2 показаны расположенными вертикально в ряд под транзисторами своих фаз.

Напряжения на первичных и синхронизирующих обмотках формируются в соответствии с изменением магнитных потоков в фазах статора АВД, временные диаграммы которых показаны на рис. 3 (явлением гистерезиса пренебрегаем).

Рис. 3. Временные диаграммы магнитных потоков фаз статора АВД

На рис. 4 приведены временные диаграммы напряжений на первичных, синхронизирующих и фазных обмотках АВД.

1,П

1,П в

с

(1,п

Рис. 4. Временные диаграммы напряжений на первичных, синхронизирующих и фазных обмотках АВД

Фазные напряжения формируются в соответствии с выражениями:

A B uA = uI - uII;

ив = uI

С uII

С А uC = uI - uII,

где ui - напряжение на синхронизирующей обмотке; uu - напряжение на рабочей обмотке; верхние индексы А, В, С указывают на принадлежность обмотки соответствующей фазе АВД.

Трехфазный мостовой АИН выполнен на комплементарных транзисторах VTI-VT6, шунтированных обратными диодами VD1-VD6.

Помимо соответствующих рабочей и синхронизирующей полуобмоток, каждая фаза АВД содержит также обмотки управления III, IV, которые формируют напряжения база-эмиттер Uбэ транзисторов VT1-VT6. Эти обмотки укладываются в пазы статора АВД поверх рабочих и синхронизирующих обмоток. Однако в этом случае управляющие напряжения транзисторов будут иметь двухступенчатую форму, подобную форме фазных напряжений. Известно, что для экономичной работы транзисторов в режиме переключения необходимо формировать управляющие напряжения прямоугольной формы. Для достижения этой цели за счет использования конденсаторов С1 и С2 одинаковой емкости искусственно создана средняя точка N источника питания, а в состав автогенераторной схемы управления введен маломощный вольтодобавочный трансформатор Т1 (рис. 2). Временная диаграмма напряжения uo, возникающего между точками O - N, показана на рис. 5.

Рис. 5. Временная диаграмма напряжения и0 Видно, что это напряжение имеет форму меандра и изменяется с частотой, в три раза превышающей частоту фазных напряжений. Таким образом, к первичной обмотке ВТ приложена третья гармоника напряжения. Трансформатор Т1 имеет также три вторичные обмотки 11-1У. Формирование и бэ прямоугольной формы с помощью вторичных обмоток ВТ на примере транзистора УТ1 поясняет рис. 6.

Например, напряжение ибэ транзистора КТ1 формируется в соответствии с выражением

т а в Т1

иБЭ = иш - и!у + и11 ,

Т1

где иц - напряжение на вторичной обмотке вольтодобавочного трансформатора Т1.

АИН выполнен на комплементарных парах транзисторов, поэтому для транзисторов фазы А можем записать

УТ1 УТ 2 иБЭ = иБЭ .

Рис. 6. Формирование напряжения ибэ транзистора УТ1 посредством введения третьей гармоники напряжения в цепи управления

Аналогичным образом формируются управляющие напряжения транзисторов фаз В и С.

Кроме формирования прямоугольной формы управляющих напряжений транзисторов, ВТ обеспечивает заданную последовательность чередования фаз, а также устойчивую синхронизацию как при пуске, так и при работе под нагрузкой. Необходимо отметить, что синхронизация фаз осуществляется третьей гармоникой тока, протекающей по первичной обмотке ВТ.

Дополнительный полумостовой каскад на транзисторах КТ7, КТ8, управляемый от задающего генератора, предназначен для регулирования частоты выходных напряжений АИН. Регулирование осуществляется за счет изменения частоты управляющих импульсов, подаваемых на транзисторы КТ7, КТ8 от задающего генератора. Так осуществляется изменение частоты напряжения, приложенного к обмотке управления V вольтодобавочного трансформатора Т1. Переключаясь на заданной частоте, вольтодобавочный трансформатор, несмотря на свою незначительную мощность и габариты, ведет за собой силовую часть, содержащую в себе АИН, электрическую и магнитную системы АВД. Применение дополнительного полумостового каскада, работающего на обмотку управления ВТ, согласно экспериментальным данным позволяет обеспечить диапазон регулирования 1:5.

ВМПТ технологически более сложна по сравнению с серийным асинхронным двигателем, однако требования компактности, уменьшения веса и габаритов делает ее оправданной. Следует отметить, что трудоемкость изготовления совмещенной конструкции меньше, чем трудоемкость отдельного изготовления электродвигателя и трансформаторов для МТИ вследствие отсутствия ряда трудоемких операций по штамповке листов трансформатора, сборке магнитопровода и намотке обмоток трансформатора.

Ток, протекающий по обмоткам управления, при использовании современных транзисторов с высоким коэффициентом усиления составляет не более 3% от тока электродвигателя. Поэтому намагничивающая сила обмотки управления не оказывает значительного влияния на намагничивающую силу обмотки статора, и увеличение намагничивающей составляющей тока холостого хода АВД будет незначительным. Обмотки управления, уложенные в пазы статора АВД, подвергаются интенсивному охлаждению от вентилятора электрической машины, что позволяет выбрать повышенную плотность тока, уменьшив объем меди. Таким образом, совмещение обмоток управления с магнитной системой электрической машины не оказывает отрицательного

влияния на работу каждого элемента ВМПТ в отдельности и позволяет компактно выполнить электропривод за счет снижения расхода активных материалов.

К недостаткам предложенной ВМПТ можно отнести следующее: магнитная система каждой фазы АВД находится в состоянии глубокого насыщения в течение одной трети полупериода, что снижает энергетические показатели электрической машины.

Проведенные экспериментальные исследования опытного образца вентильной машины переменного тока мощностью 160 Вт показали ее полную работоспособность. Перечень технических характеристик, полученных экспериментально, приводится в табл. 1.

Таблица 1

Технические характеристики

Наименование параметра и единица измерения АВД 160 Вт

Номинальное напряжение, В 27

Частота напряжений инвертора, Гц 200

Синхронная частота вращения АВД, об/мин 6000

Номинальный ток, А 5,1

Коэффициент мощности двигателя, о.е. 0,56

КПД трехфазного АВД, % 71

КПД инвертора, % 90

КПД ВМПТ, % 63

Кратность пускового тока, о.е. 2,9

Кратность пускового момента, о.е. 0,76

Кратность максимального момента, о.е. 1,82

В ходе экспериментальных исследований были сняты осциллограммы управляющих напряжений транзисторов, фазного напряжения и напряжения и0 (рис. 7-9). Очевидно, что частота напряжения и0 в три раза выше частоты фазного напряжения, а форма указанных напряжений совпадает с расчетной. Осциллограммы фазного тока АВД и тока, протекающего по первичной обмотке ВТ, показаны на рис. 10, 11. На осциллограмме тока, протекающего по первичной обмотке ВТ, имеются явно выраженные пики, свидетельствующие о переключении всей системы именно на третьей гармонике тока. Таким образом, экспериментальные исследования подтверждают справедливость теоретических положений и корректность инженерного расчета.

Рис. 7. Осциллограмма управляющего напряжения транзистора © Проблемы энергетики, 2009, № 1-2

Рис. 8. Осциллограмма фазного напряжения ----!

Рис. 9. Осциллограмма напряжения и0

Рис. 10. Осциллограмма фазного тока АВД

Рис. 11. Осциллограмма тока первичной обмотки ВТ © Проблемы энергетики, 2009, № 1-2

В настоящее время ведутся работы по совершенствованию ВМПТ и расширению её функциональных возможностей в следующих направлениях:

1) построение вентильной машины переменного тока на основе статора серийной машины переменного тока без изменения геометрии и обмоточных данных;

2) разработка такой схемы соединения обмоток вентильной машины, применение которой приведет к тому, что магнитная система каждой из фаз статора будет входить в режим насыщения лишь кратковременно, исключая глубокое насыщение;

3) использование явнополюсного ротора с электромагнитным возбуждением.

Предполагается, что использование статора серийной машины переменного тока и разработка другой схемы соединения обмоток позволит обеспечить экономию активных материалов, улучшить энергетические и массо- габаритные показатели, а применение явнополюсного ротора с электромагнитным возбуждением позволит расширить диапазон регулирования.

Выводы

1. Одним из перспективных направлений развития ЭМВС является конструктивное объединение полупроводникового преобразователя, цепей управления транзисторами и электрической машины.

2. Вентильная машина переменного тока технологически более сложна по сравнению с обычным двигателем, однако требования компактности, уменьшения веса и габаритов делают ее оправданной. Кроме того, трудоемкость ее изготовления меньше, чем трудоемкость отдельного изготовления электродвигателя и трансформаторов для МТИ.

3. Использование маломощного вольтодобавочного трансформатора, по первичной обмотке которого протекает третья гармоника тока, позволяет формировать прямоугольные управляющие напряжения транзисторов, обеспечивает заданную последовательность чередования фаз, а также устойчивую синхронизацию как при пуске, так и при работе под нагрузкой.

4. Применение дополнительного полумостового каскада, управляемого от задающего генератора, позволяет регулировать частоту выходных напряжений инвертора и обеспечить диапазон регулирования 1:5.

5. Результаты экспериментальных исследований показали хороший технический уровень ВМПТ, имеют приемлемую точность сходимости с теоретическими положениями и подтверждают корректность инженерной методики проектирования.

Summary

The basic wiring scheme and principle of work electromotor- switch systems on the basis of the three-phase asynchronous engine is considered. Distinctive feature of the electric machine used in structure of offered electromotor- switching system, division of a stator winding on working and synchronizing and also presence of windings of the steering located in chases of a stator are shown clearly. It is evident, that functionalities switched machines of an alternate current can be expanded due to application of additional halfbridge of the cascade and low-power extravolte transformer. Directions ofperfection of switched machines design of an alternate current are formulated.

Литература

1. Ильинский Н.Ф., Михайлов В.В. Транзисторно-магнитные преобразователи непрерывного сигнала в последовательность импульсов. М.: Энергия, 1966. 168 с.

2. Патент РФ № 2147154. Вентильная машина переменного тока / Р.М. Газизов, Л.Я. Зиннер, Г.Ф. Кропачев, В.Г. Макаров, А.В. Толмачева. №9; опубл. Б.И., 2000.

Поступила в редакцию 26 октября 2007 г.

Макаров Валерий Геннадьевич - канд. техн. наук, доцент кафедры Электропривода и электротехники (ЭЭ) Казанского государственного технологического университета (КГТУ). Тел. 8 (843) 231-41-27. Е-шаП: electroprivod@list.ru.

Кропачев Георгий Федорович - канд. техн. наук, доцент кафедры Электропривода и электротехники (ЭЭ) Казанского государственного технологического университета (КГТУ). Тел. 8 (843) 231-41-27. Е-шаП: electroprivod@list.ru.

Хайруллин Ильгиз Равильевич - аспирант кафедры Электропривода и электротехники (ЭЭ) Казанского государственного технологического университета (КГТУ). Тел. 8-927-491-26-36.

Толмачева Аурелия Владимировна - старший преподаватель кафедры Электропривода и электротехники (ЭЭ) Казанского государственного технологического университета (КГТУ). Тел. 8 (843) 231-41-27.