CS225904B1 - Frekvenční měnič pro asynchronní meřery · napájecí frekvencí vyěěí než 50 Ha - Google Patents

Description

Vynález ee týká frekvenčního měniče pre asynchronní motory β vyěěí napájecí frekvencí než 50 Hz.

Frekvenční měniče pro pohony asynchronních motorů doznaly širokého uplatnění v praxi, nebol způsob frekvenčního řízení asynchronních motorů je pro tento typ stroje nejvýhodnějěí. Má ve srovnání ss stejnosměrnými stroji podobné účihky jako cize buzený stejnosměrný motor řízený kotevním napětí*. Pro řízení motoru nakrátko se používají frekvenční měniče s vyjádřeným meziobvodem nebo bez vyjádřeného meziobvodu. Měniče a vyjádřeným meziobvodem používají pro asynohronní motor nakrátko výhradně vlastní komutaci střídačs, nebot vnějěí komutaci nelze z principiálních důvodů použít. Frekvenční měniče bez vyjádřeného meziobvodu mohou být komutovány sítí, ovšem pouze pro nízké vstupní frekvence, asi do 20 Hz. Široce rozvinutá výrotaí ěkála asynchronních motorů a různé aplikační použiti si vyžádaly vývoj různých typů frekvenčních měničů, zejména měničů s vyjádřeným meziobvodem a vlastní komutací. Důležité miste mezi pohony asynchronních motorů nakrátko zaujímají rychloběžné asynchronní motory pro vyěěí frekvence, většinou ve vícemotorových pohonech menších a středníeh výkonů. Specifické požadavky zde spočívají zejména ve schopnosti plynulé regulace frekvence řádově stovky Hz se současnou změnou napětí.

Rozběhy jsou lehké, střední i těžké s různými nároky na požadovaný regulační rozsah otáček motorů, a tedy i regulační rozsah frekvence z měniče. Tento druh pohonů se ukazuje v praxi tak významným, že se v zahraničí projektují speciální frekvenční meniče, určené pre

225 904

225 904 rychloběžné pohony s asynchronními motory nakrátko. Jaou to větěinou střídače napiti a vyjádřeným meziobvodom a amplitudovým, nebo pulaně-Šířkovým řízením a ae zvláSt řešenými komutačními obvody, které jsou přizpůsobovány vysoké výstupní frekvenci měniče. Je známe, že zejména pre vyšší výkony mají frekvenční měniče s vlastní komutací pre vySSí výstupní frekvence řadu nevýhod. Je to zejména:

- Vysoké nároky na dynamleká parametry tyristorů, zejména vypínací dobu

- Značné namáhání komutačníoh obvodů komutačním proudem a a tím spojená menší využitelnost střidače

- Vysoké nároky ne komutační kondensátory ochrany a další součástky střídače

Tyté okolnosti způsobují, že pro rychloběžné motory byly vyvíjeny speciální komutační obvody, upravené pro zvýšené namáhání při vyšSíoh frekvenoíoh. Kaštěatí se ve většině případů požadované výkony pohonů pohybují řádově v hranicíoh desítek kW, zřídka jsou de stovek kV.

To co bylo řečeno o současném stavu frekvenčních Měničů pro rychloběžné pohony platí e motorech nízkého napětí do 500 V. Pre motory vysokého napětí tj. 3KV a 6KV je realisaoe takového střídače velmi obtížná, zejména pro podstatně nižSí využitelné napětí ryehlýeh tyristorů. Přitom rychloběžné pohony amynehronníoh motorů nakrátko vyššíoh výkonů na napětí 3 a 6 Π jaou východiskem z problémů, které mají při vysekýoh otáčkách stejnosměrné a synchronní stroje.

Uvedené nevýhody, které způsobuje nasazení měničů s vlastní komutaoí na požadované vysoké frekvenoe rychloběžných motorů odstraňuje zapojení frekvenčního měniče podle vynálezu, jehož podstata spečívá v tom, že ks každé fázi statoru alespoň jednoho asynchronního motoru jo paralelně připojen jednak kondensátor, jednak odpovídajíoí fáze střídavé strany střídače preudu a měniče impedanoe, k jehož výstupu jo připojena indukčnost, přičemž výsledný charakter impedance kondensátorů, asyndhronních motorů a proměnné indukčnost!, tvořené měničem dmpedonee je kapacitní.

VySSí účinek vynálezu spočívá v tom, že odstraní vlastní příčinu výěe uvedených problémů

- nutnost vlastní komutace měniče. VnějSí komutace napětím zátěže - tak jak jo známa např. u ventilového synchronního motoru, nebo u ventilovýoh kaskád s kroužkovým asynchronním motorem není bez zásadních úprav měniče možná. U asynchronního motoru, který je na statoru spotřebičem jalového výkonu - má induktivní oharakter - se proud zpožňujo za napětím. Sepětí zátěže není schopno komutovat proudy měniče, nebot jeho fáze je ve věoch provozních stavech v takové fázové poloze, že vnější komutaoi znemožňuje. To je všeobecně známo a proto ae frekvenční měniče komutují buá vlastními komutačními obvody, nebo sítí. Ezistuje vSak jedna cesta, ktorá umožňuje i u asynchronního motoru komutaci vnějSí - komutaci statorovým napětím. Při zapojení kondenzátorů paralelně ke statoru motoru a napájecímu měniči o takové velikosti, žo výsledný proud z měniče předbíhá napětí, je umožněné komutace zátěží, ke které řadíme paralelní kombinaci motoru a připojených kondenzátorů. Výsledná kombinace motoru a kondensátorů so chová jako zátěž s kapacitním charakterem. Tato zátěž může dodat potřebný jalový výkon pro uskutečniní vnějSí komutace měniče. Tento způsob je znám a dlouho využíván u měničů pri indukční ohřevy s paralelním zapojením kondenzátorů k zátěži. Frekvence měničů dosahují hodnot až da 10 kHs. Vlastní frekvence zátěže - kondenzátorů, indukčností a odporů je v'blízkosti výstupní frekvence měniče. Potom je napětí na zátěži téměř sinusové. Použít tento princip na řízení asynchronního motoru není možné, neboi při změně frekvence při řízení otáček se v Sirokýoh mezích odchylujeme od vlastní frekvenoe zátěže.

225 904

Hlavní myšlenkou vynálezu, který odstraňuje tuto překážku, je použití dalšího měniče, který je zapojen paralelně k motoru a kondenzátorům. Tento měnič nepřenáší činný výkon motoru, ale slouží jako měnič impedance, v podstatě jako plynule řídizelná ondukčnost. Při změně frekvenoe měniče se řídí tato indukčnost pomocí uzavřených regulačních smyček tak, aby výsledné indukčně st zátěže, daná paralelním spojením přídavné indukčnosti Lp a vlastní indukčneetí motoru Lm měla s kondensátorem vlastní frekvenci, odpovídající požadované statorové frekvenci motoru.

Na přiloženém výkresu je na obr. 1 znázorněno principiální schéma frekvenčního měniče pro asynchronní motory v jednofázovém zapojeni, na obr. 2 je obdobné schéma v trojfázovém provedení a na obr. 3 je blokové schéma těchto zapojení v obecné formě.

Měnič podle obr. 1 je tvořen střídačem proudu I s vnějěí komutací v můstkovém zapojení, v jehož kladném přívodu je zapojena filtrační indukčnost Ld. Paralelně k jeho střídavým výstupům je zapojen jednak kondenzáter C, jednak přídavný měnič M, tvořený fázově řízeným spínačem do indukčnosti Lpo a jednak asynchronní motor, nahrazený pro jednoduchost paralelní kombinací činného odporu fi a indukčnosti motoru 34b.

V obr. 2 je znázorněno shodné zapojení jako na obr. 1, avšak v trojfázovém provedení, kde kondenzátory C jsou v zapojení do trojúhelníka a střidač proudu í je napájen v prvé variantě řízeným usměrňovačem a ve druhé variantě pulzním měničem.

V blokovém schéma na obr. 3 je ke statorům asynchronních motorů paralelně připojen kondenz^tor, resp. kondenzátory 2, střídavý výstup střídače proudu 1 a měnič impedance 2» fi jehož výstupu je připojena indukčnost-4, přičemž výsledný charakter impedance·kondenzátorů C, asynchronních motorů 5 a proměnné indukčnosti, tvořené měničem impedance 2 3® kapacitní.

Regulační meze frekvence^ při kterých může pracovat hlavní napájecí měnič s vnějěí komutací, odpovídá možnému rozsahu regulace přídavné indukčnosti Lp, tvořené měničem. Na obr. 1 je znázorněn principiálně uvedený způsob na jednofázovém spojení, kde asynchronní motor je pro jednoduchost nahrazen paralelní R-Lm kombinací. Ve skutečnosti se motor nedá znázornit tak jednoduchým R-Lm ekvivalentem, ale pro úvahy tohoto typu to není podstatné. Pro R»0 jo resonanční frekvence dána známým vztahem:

^1,1

1/ C í) | ' Lm + Lp \

Pro Lp —> «β, kdy jsou tyristory fázově řízeného spínače zablokovány, dostaneme spodní hranici resonanční kruhové frekvence, která je dána resonancí pouze indukčnosti Lm a kondenzátoru C.

Pro Lp . Lgo, kdy tyristorový spínač je plně otevřen, bude resonanční frekvence maximální. Vlastní frekvence se od resonanční liší o hodnotu, ovlivněnou odporem R. Se zatížaH-i’» motoru se odpor R jako člen vyjadřující činný odpor motoru v náhradním schématu měrní a měrní so i vlastní frekvence. 2 teorie plyne, že se to děje v poměrně malé oblasti kolem resonanční frekvenoe a lze to respektovat zavedením dalších zpětnovazebních smyček. Je to problém stejný jako ú měničů pro indukční ohřevy.

Provedení měniče M, který představuje plynule regulovatelnou indukčnost, může být různé. Jedná se obecně o typ měniče, který pracuje jako měnič Impedance. V praxi přichází v úvahu střídavý měnič - tyristorový spínač s fázovým řízením, nebo řízený usměrňovač s fázovým řízením s vnější komutací, zatížený do indukčnosti.

225 904

Vnějěí komutaci provádí střídavé napétí stejným způsobem, jako dochází ke komutaci hlavního měniče. Kondensátory zajištují vzhledem ke svým malým vnitřním impedancím velmi rychlou komutaci. Podobně jako u měničů pro indukční ohřevy není problém realizovat frekvence řádově stovky až tisíce Hz.

Ha obr. 2 je možná varianta třífázového spojení so střídačem proudu, který je napájen řízeným usměrňovačem. Vlastní střídač 1, který je komutován napětím kondenzátorů £ na straně motoru AM. může pro frekvenoo řádově stovky Hz použít tzv. pomalé tyrlstory, určené pro vnější komutaci, nebol vypínací doba so určuje fází impulzů a napětí zátěžo. Děje v hlavním měniči se značně podobají dějům v řízeném usměrňovači na síti a fázovým řízením. Vzhledem ke střídavé straně je pomocí elektronických jednotek fázového řízení na proměnnou frekvenci nastaven takový posuv mezi impulzy a fází střídavého napětí, aby komutace a vypínací doba byla v ustálených i přechodnýoh dějích spolehlivé. Možnost použití pomalýoh tyristorů s vysokou proudovou a zejména napělovou zatížitelností, běžně 3000 V, je výhodná i pro rychloběžné motory na vysoké napětí, 3 a 6 kV, nebot problémy při sériovém chodu u pomalých tyristorů β vnější komutací jsou zvládnuty a jsou značně menši než problémy sériového chodu u rychlých tyristorů s vlastní komutací.

Značnou potíží u tohoto způsobu řízení otáček je rozběh motoru na frekvenci odpovídající minimální frekvenci, při které platí vysvětlené zásady o vnějěí komutaci hlavního měniče.

Jak plyne zo známých rovnic, kapaoita pro nízká frekvence při daných indukčnosteoh silně narůstá* Proto je tento způsob vhodný zejména pro frekvence na 50 Hz, kdo so u motorů řádově desítek kV pohybuje celkový kapacita kolem stovek mikrefaradů, lze použít normální kompenzační kondenzátory, popř. u vyšších frekvencí speciální kondensátory. Nejjednodušším způsobem rozběhu jo připojení motoru na sil a nafázování měniče na frekvenci 50 Hz. Tato frekvence může odpovídat spodní hranici regulované frekvence. Obecně lze uskutečnit i jiné způsoby rozběhu, např. i β využitím vlastní komutace, tyto ale značně komplikují poměrně jednoduché a spolehlivé základní řešení pohonu.

Celý pohon můžo být napájen i ze zdroje stejnosměrného napětí, např. troleje, nebol proudový zdroj pro napájení vlastního střídače lze s výhodou uskutečnit pulzním měničem.

Ba obr. 3 jo pak zobrazen v obeoná formě princip vynálezu výše popisovaný, přičemž jo zde označen počet fází n, m, k v jednotlivých částech zapojení.

Claims (1)

1. Frekvenční měnič pro asynchronní motory s napájeoí frekvencí vyšší než 50 Hz, vyznačený tím, že ke každá fázi statoru alespoň jednoho asynchronního motoru (5) jo paralelně připojen jednak kondenzátor (2), jednak odpovídajíoí fáze střídavé strany střídače proudu (1) a měniče impedance (3), k jehož výstupu jo připojena indukčnost (4), přičemž výsledný charakter impedance kondenzátorů (2), asynchronních motorů (5) a proměnné indukčnosti, tvořené měničem impedance (3) je kapacitní.