RU2007837C1

RU2007837C1 - Controlled rectifier drive

Info

Publication number: RU2007837C1
Authority: RU
Inventors: Анатолий Васильевич Матвеев
Original assignee: Анатолий Васильевич Матвеев
Priority date: 1991-08-14
Filing date: 1991-08-14
Publication date: 1994-02-15

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: controlled rectifier drive has electric motor 7, single-phase rectifier 1, choke 2, reservoir capacitor 3 connected in series, converter built in the form of two controlled valves 4, 5 coupled in series with point of their connection being linked to one of outputs of commutating capacitor 6 with capability of control. Protective element 8 is placed between point of connection of choke 2 with first plate of reservoir capacitor. Motor 7 may be both single-phase and multiphase with solid rotor made of magnetically soft material. Drive provides for wide range of control of rotational speed and moment thanks to formation of sinusoidal pulses of alternating current with oscillation circuit which inductance is phase windings of stator of motor 7 and which capacitance is commutating capacitor 6. In case of emergency rectifier drive is cut off by backward voltage of network. EFFECT: improved reliability of control over rotational speed and moment. 2 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к регулируемым по частоте и моменту электроприводам переменного тока. The invention relates to electrical engineering, in particular to variable frequency and moment AC electric drives.

Известен регулируемый вентильный электропривод (РВЭП), преобразователь которого выполнен на транзисторах, с использованием в каждой фазе колебательного контура, состоящего из коммутирующей емкости и одной фазной обмотки статора гистерезисного двигателя. Двигатель может быть как однофазным, так и многофазным. Недостатками данного РВЭП являются: сложная конструкция преобразователя, особенно для многофазных двигателей, невысокий КПД из-за больших коммутационных потерь в транзисторах, низкая надежность из-за возможности сквозного короткого замыкания по двум последовательно включенным транзисторам каждой фазы и недостаточно широкий диапазон регулирования частоты вращения и момента гистерезисного электродвигателя. Known adjustable valve electric drive (RVEP), the converter of which is made on transistors, using in each phase an oscillating circuit consisting of a switching capacitance and one phase winding of the stator of a hysteresis motor. The engine can be either single-phase or multiphase. The disadvantages of this RVEP are: the complex design of the converter, especially for multiphase motors, low efficiency due to large switching losses in the transistors, low reliability due to the possibility of an through short circuit through two series-connected transistors of each phase and an insufficiently wide range of speed and torque control hysteresis motor.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является РВЭП, содержащий выпрямитель, тиристорный преобразователь, однофазный инвертор и двигатель переменного тока. Данный РВЭП имеет более высокий КПД при достаточно широком диапазоне регулирования мощности двигателя. Однако он не лишен остальных недостатков аналога и, кроме того, имеет свой недостаток - синусоидальные импульсы тока, которые поступают от преобразователя на двигатель, формируемые колебательным контуром, составленным из конденсатора на выходе выпрямителя и дросселя в выходной цепи однофазного инвертора, не регулируются на частоте, а изменяется лишь бестоковая пауза между двумя частями синусоиды, что обеспечивает недостаточно широкий диапазон регулирования. The closest in technical essence to the proposed technical solution is RVEP containing rectifier, thyristor converter, single-phase inverter and AC motor. This RVEP has a higher efficiency with a fairly wide range of engine power regulation. However, it is not without the remaining drawbacks of the analog and, in addition, has its drawback - sinusoidal current pulses that come from the converter to the motor, formed by an oscillating circuit composed of a capacitor at the output of the rectifier and inductor in the output circuit of a single-phase inverter, are not regulated at the frequency and only the dead time pause between the two parts of the sinusoid changes, which provides an insufficiently wide range of regulation.

Цель изобретения - упрощение конструкции РВЭП, повышение КПД, надежности и расширение диапазона регулирования мощности. The purpose of the invention is to simplify the design of RVEP, increasing efficiency, reliability and expanding the range of power control.

Указанная цель достигается тем, что в РВЭП выпрямитель выполнен в виде одного управляемого или неуправляемого вентиля, включенного последовательно с ним на однофазную сеть дросселя и накопительной емкости, преобразователь выполнен в виде двух последовательно включенных между собой управляемых вентилей, подключенных через элемент защиты и накопительной емкости, к средней точке управляемых вентилей подключена коммутирующая емкость, а к другому ее выводу и одному из выводов накопительной емкости подключен двигатель. Кроме того, тем, что коммутирующая емкость выполнена с возможностью ее ступенчатого регулирования путем переключения отдельных конденсаторов при помощи переключателя. Кроме того тем, что ротор двигателя выполнен массивным из магнитомягкого металла. This goal is achieved by the fact that in RVEP the rectifier is made in the form of one controlled or uncontrolled valve connected in series with it to the single-phase network of the reactor and the storage tank, the converter is made in the form of two controlled valves connected in series connected between each other through a protection element and a storage tank, a switching capacitance is connected to the midpoint of the controlled gates, and a motor is connected to its other terminal and one of the terminals of the storage capacitance. In addition, the fact that the switching capacitance is made with the possibility of its stepwise regulation by switching individual capacitors using a switch. In addition, the rotor of the engine is made of massive soft magnetic metal.

На фиг. 1 изображена принципиальная блочная электросхема РВЭП; на фиг. 2 - схема включения коммутирующей емкости; на фиг. 3 - схема включения однофазного реверсивного двигателя; на фиг. 4 - то же, двухфазного; на фиг. 5 - то же, трехфазного; на фиг. 6 - схема источника питания бока управления; на фиг. 7 - форма тока в фазной обмотке двигателя. In FIG. 1 shows a schematic block wiring diagram RVEP; in FIG. 2 is a diagram for switching on a switching capacitance; in FIG. 3 - diagram of the inclusion of a single-phase reversible motor; in FIG. 4 - the same, two-phase; in FIG. 5 - the same three-phase; in FIG. 6 is a diagram of a power supply of a control side; in FIG. 7 - form of current in the phase winding of the motor.

РВЭП содержит однофазный выпрямитель, выполненный в виде одного управляемого или неуправляемого вентиля 1, включенных последовательно с ним на однофазную сеть дросселя 2 и накопительной емкости 3, преобразователь, выполненный в виде двух последовательно включенных между собой управляемых вентилей 4 и 5, подключенных к накопительной емкости 3, к средней точке управляемых вентилей 4 и 5 подключена коммутирующая емкость 6, а к другому ее выводу и одному из выводов накопительной емкости 3 подключены выводы двигателя 7. Элемент защиты 8 РВЭП от перегрузки и КЗ включен последовательно с управляемыми вентилями 4 и 5. Переключатель 9, предназначенный для изменения величины коммутирующей емкости 6, подключен своими контактами к каждому конденсатору. Реверсор 10, предназначенный для изменения направления вращения двигателя, подключен к фазным обмоткам двигателя 7. Блок управления 11 РВЭП получает питание от блока питания 12. В двух- и трехфазных двигателях предусмотрены фазосдвигающие емкости 13. RVEP contains a single-phase rectifier, made in the form of one controlled or uncontrolled valve 1, connected in series with it to a single-phase network of the inductor 2 and the storage tank 3, a converter made in the form of two controlled valves 4 and 5 connected in series with each other, connected to the storage tank 3 , the switching capacitance 6 is connected to the midpoint of the controlled valves 4 and 5, and the motor terminals 7 are connected to its other terminal and one of the terminals of the storage tank 3. Loads and short-circuit is connected in series with controlled valves 4 and 5. The switch 9, designed to change the value of the switching capacitance 6, is connected by its contacts to each capacitor. The reverser 10, designed to change the direction of rotation of the motor, is connected to the phase windings of the motor 7. The control unit 11 RVEP receives power from the power supply 12. In two-and three-phase motors are provided phase-shifting capacities 13.

РВЭП работает следующим образом. RVEP works as follows.

Для получения синусоидального однофазного тока регулируемой частоты и скважности используются свойства колебательного контура, состоящего из емкости и индуктивности, в качестве которой взяты фазные обмотки статора двигателя 7. Для этого переменный ток первичного источника, например, промышленной сети частотой 50 Гц выпрямляется при помощи регулируемого (или нерегулируемого) вентиля 1, который работает через дроссель 2 на накопительную емкость 3. Энергия постоянного тока, накопленная в емкости 3, преобразуется в переменный ток регулируемой частоты и скважности при помощи двух регулируемых вентилей 4 и 5, в качестве которых могут быть использованы тиристоры, транзисторы или симисторы (последние применяются в электроприводах с рекуперацией энергии при переводе двигателя в генераторный режим). При включении от блока управления 11 вентиля 4 ток потечет от "плюса" накопительной емкости 3 через вентиль 4, коммутирующую емкость 6, фазные обмотки двигателя 7 на "минус" емкости 3. При этом форма импульса тока будет синусоидальной (см. фиг. 7). Как только напряжение на коммутирующей емкости 6 сравняется с напряжением на накопительной емкости 3, ток двигателя станет равным нулю, и вентиль 4 автоматически запрется, если это тиристор. Если в качестве вентиля 4 взят транзистор, то в данный момент на него подается от блока управления 11 запирающий импульс и он также запрется при минимальных потерях на коммутацию. После запирания вентиля 4 и до открытия вентиля 5 необходимо предусмотреть бестоковую паузу Т₂ равную или большую времени восстановления запирающих свойств вентиля 4. После этого с блока управления 11 подается отпирающий импульс на вентиль 5, в результате чего накопленная в емкости 6 энергия потечет через вентиль 5 и через двигатель 7 (в другом направлении). Данный импульс тока также будет синусоидальным и длительность его Т₁ будет такой же, как и при заряде емкости 6 от емкости 3, поскольку колебательный контур остался тем же и характеризуется теми же параметрами RLC. Регулируя при помощи блока управления 11 частоту открывания вентилей 4 и 5 - изменяют тем самым скорость вращения и момент двигателя 7. Если вентиль 1 выполнен регулируемым, то при этом можно регулировать и амплитуду импульсов тока за счет регулирования напряжения выпрямителя, т. е. электропровод имеет возможность широкого регулирования диапазона скорости и момента. При повышении частоты тока выше критической могут оказаться включенными оба вентиля 4 и 5, которые закоротят накопительную емкость 3. При этом сработает элемент защиты 8 и отключит через блок управления 11 вентили 1,4 и 5. Если эти вентили выполнены в виде тиристоров, то они запрутся обратным напряжением сети, при этом длительность КЗ ограничится одной полуволной питающего переменного напряжения, что не представляет опасности для тиристоров.To obtain a sinusoidal single-phase current of adjustable frequency and duty cycle, the properties of the oscillating circuit are used, consisting of capacitance and inductance, which are taken as the phase windings of the stator of the motor 7. For this, the alternating current of the primary source, for example, an industrial network with a frequency of 50 Hz, is rectified using an adjustable (or unregulated) valve 1, which works through the inductor 2 to the storage tank 3. The DC energy stored in the tank 3 is converted into alternating current adjustable th frequency and duty cycle controlled by means of two valves 4 and 5, as which may be used thyristors, transistors or triacs (last used in electric drives with energy recovery when the engine is translated in generator mode). When valve 4 is turned on from control unit 11, current will flow from the "plus" of the storage capacitance 3 through the valve 4, the switching capacitance 6, the phase windings of the motor 7 to the "minus" capacitance 3. The current pulse shape will be sinusoidal (see Fig. 7) . As soon as the voltage at the switching capacitance 6 is equal to the voltage at the storage capacitance 3, the motor current will become zero, and the valve 4 will automatically shut off if it is a thyristor. If a transistor is taken as gate 4, then at the moment a locking pulse is supplied to it from the control unit 11 and it will also be blocked with minimal switching losses. After locking the valve 4 and before opening the valve 5, it is necessary to provide a dead time pause T ₂ equal to or greater than the recovery time of the locking properties of the valve 4. After that, a locking pulse is supplied from the control unit 11 to the valve 5, as a result of which the energy stored in the tank 6 will flow through the valve 5 and through engine 7 (in the other direction). This current pulse will also be sinusoidal and its duration T ₁ will be the same as when charging the capacitor 6 from the capacitor 3, since the oscillatory circuit remained the same and is characterized by the same RLC parameters. By adjusting the frequency of opening of the valves 4 and 5 using the control unit 11, the rotation speed and the moment of the motor 7 are changed. If the valve 1 is adjustable, then the amplitude of the current pulses can also be controlled by adjusting the voltage of the rectifier, i.e., the electric wire has the possibility of wide regulation of the speed range and torque. If the current frequency rises above the critical value, both valves 4 and 5 can turn on, which will shorten the storage tank 3. At the same time, the protection element 8 will work and turn off valves 1,4 and 5 through the control unit 11. If these valves are made in the form of thyristors, they they will be shut off by the reverse voltage of the network, while the short circuit time will be limited to one half-wave of the supply alternating voltage, which does not pose a danger to the thyristors.

Поскольку критическая частота данного электропривода с колебательным контуром определяется величиной коммутирующей емкости 6, последняя должна иметь ступенчатое регулирование при помощи переключателя 9 (фиг. 2). Таким образом, расширяется частотный диапазон регулирования электропривода. Для реверсирования направления вращения двигателя 7 предусмотрен реверсор 10, который в однофазном двигателе может выполнять и функцию фазосдвигающего устройства. Данный электропривод является эффективным при повышенной частоте питания двигателя 7, т. к. индуктивность и емкость колебательного контура обратно пропорциональны квадрату частоты тока. При повышенных частотах существенно снижаются индуктивность двигателя и величина коммутирующей емкости, что делает электропривод компактным. Если ротор электродвигателя выполнить массивным (гладким или зубчатым) из магнитомягкого металла, например из Ст. 3 или из Ст. 45, то при повышении частоты питающего тока момент у него возрастает, а не падает, как у традиционного короткозамкнутого ротора с шихтованным сердечником (3). Для того, чтобы двигатель с массивным ротором имел высокий момент, его следует выполнять многополюсным (4). Достижению поставленных в изобретении целей способствует также выполнение выпрямителей как силового, так и для цепей управления (см. фиг. 6) на одном вентиле, совместив его с фильтром, состоящим из дросселя и емкости. Последняя выбирается электролитической, т. к. она работает в однополярном импульсном режиме. Величина накопительной емкости 3 должна выбираться из условия
U₁ ²f₁C₃ > U₂ ²f₂C₆, где U₁, f₁ - соответственно напряжение и частота первичного источника;
U₂, f₂ - то же, двигателя;
С₃ - величина накопительной емкости;
С₄ - величина коммутирующей емкости.Since the critical frequency of this electric drive with an oscillatory circuit is determined by the value of the switching capacitance 6, the latter should have stepwise regulation using switch 9 (Fig. 2). Thus, the frequency range of regulation of the electric drive is expanded. To reverse the direction of rotation of the motor 7, a reverser 10 is provided, which in a single-phase motor can also perform the function of a phase-shifting device. This electric drive is effective at an increased frequency of motor power 7, because the inductance and capacitance of the oscillating circuit are inversely proportional to the square of the current frequency. At higher frequencies, the inductance of the motor and the value of the switching capacitance are significantly reduced, which makes the electric drive compact. If the rotor of the electric motor is massive (smooth or toothed) from soft magnetic metal, for example from Art. 3 or from Art. 45, then with an increase in the frequency of the supply current, the moment increases and does not fall, as in a traditional squirrel cage rotor with a lined core (3). In order for the engine with a massive rotor to have a high moment, it should be performed multipolar (4). The achievement of the objectives set in the invention is also facilitated by the implementation of rectifiers both power and control circuits (see Fig. 6) on one valve, combining it with a filter consisting of a reactor and a capacitor. The latter is chosen electrolytic, because it works in a unipolar pulse mode. The value of the storage capacity 3 should be selected from the condition
U ₁ ² f ₁ C ₃ > U ₂ ² f ₂ C ₆ , where U ₁ , f ₁ - respectively, the voltage and frequency of the primary source;
U ₂ , f ₂ - the same engine;
C ₃ - the value of the storage capacity;
With ₄ - the value of the switching capacitance.

При соблюдении этого условия напряжение постоянного тока при различных режимах двигателя или другого потребителя практически не изменяется. (56) Заявка Великобритании N 1502599, кл. H 02 K 23/02, 1978. Under this condition, the DC voltage under various modes of the engine or other consumer practically does not change. (56) UK application N 1502599, cl. H 02 K 23/02, 1978.

Авторское свидетельство СССР N 1365295, кл. H 02 M 5/43, 1988. USSR author's certificate N 1365295, cl. H 02 M 5/43, 1988.

Д. М. Каминский, С. И. Локшина "Двигатели с массивным ротором при переменных частоте и напряжении", Электротехника, N 8, 1980, с. 14-17. D. M. Kaminsky, S. I. Lokshina "Engines with a massive rotor at variable frequency and voltage", Electrical Engineering, N 8, 1980, p. 14-17.

Авторское свидетельство СССР N 1427496, кл. H 02 K 5/167, 1988. USSR author's certificate N 1427496, cl. H 02 K 5/167, 1988.

Claims

1. ADJUSTABLE VENTAL AC ELECTRIC DRIVE, containing an electric motor, a single-phase rectifier, an inductor and a storage capacitor, a converter and a rectifier and converter control unit equipped with a power supply, the inputs of which are intended for connection to a single-phase power supply network, characterized in that a protective element is introduced and a switching capacitor with the possibility of its regulation, the control unit is equipped with an additional output, and the converter is made in the form of two consequently controlled valves connected to each other, the connection point of which is connected to one of the terminals of the switching capacitor, the other terminal of which is connected to one of the terminals of the electric motor, the other terminal of the latter to the second plate of the storage capacitor, and the protection element is connected between the connection point of the inductor with the first plate of the capacitor and the first controlled valve, while the additional output of the control unit is connected to the control input of the protection element, and the electrode of the second valve, n associated with the first valve is connected to another terminal of the electric motor.

2. The electric drive according to claim 1, characterized in that the rotor of the engine is made of soft magnetic metal.