RU2178944C2 - Трехфазный электропривод (варианты) - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к электроприводу и преобразовательной технике и может быть использовано в трехфазном электроприводе с повышенными частотами вращения электродвигателей переменного тока. Технический результат заключается в повышении частоты вращения двигателя электропривода с одновременным улучшением массогабаритных и энергетических показателей, повышением надежности. Сущность изобретения заключается в использовании в силовом ключе непосредственно преобразователя частоты двух потенциально развязанных с помощью оптопар каналов прохождения сигнала управления и информации о состоянии (открыт, закрыт) силового ключа, позволяющих исключить из электропривода трансформаторы, и в особенности схем силовой части преобразователя и электродвигателя. Предлагаются схемы на большие мощности. 4 с. и 10 з. п. ф-лы, 19 ил.

Description

Изобретение относится к области электропривода и преобразовательной техники и может быть использовано в трехфазном электроприводе с повышенными частотами вращения электродвигателей переменного тока.

Известен коллекторный электропривод переменного тока (1), обеспечивающий широкий диапазон регулирования частоты вращения. Однако существенными недостатками его являются низкая надежность и ремонтопригодность, нетехнологичность, неудовлетворительные массогабаритные показатели, необходимость обслуживания, ограничения по мощности и частоте вращения из-за наличия коллекторно-щеточного узла.

Известен непосредственный преобразователь частоты с трехфазным входом и однофазным выходом, повышающим втрое входную частоту (2), позволяющий при использовании с ним однофазных электродвигателей повысить их синхронную частоту вращения втрое. Недостатками такого преобразователя являются неудовлетворительные массогабаритные показатели и материалоемкость, низкая надежность из-за наличия в нем силовых и управляющих трансформаторов. Существенным недостатком указанного преобразователя является ограниченность его использования для электропривода из-за однофазности его выходного напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому электроприводу является электропривод с непосредственным преобразователем частоты, содержащим силовые трансформаторы, двигатель переменного тока (3).

Недостатками указанного электропривода является невозможность обеспечения частот вращения, больших, чем синхронная, большие масса, габариты и материалоемкость, сложность, низкая надежность, низкие энергетические показатели.

В предложенном электроприводе решается задача исключения указанных недостатков, а именно повышения частоты вращения при одновременном улучшении эксплуатационных, энергетических и массогабаритных показателей.

Решение указанной задачи в предлагаемом электроприводе по первому варианту изобретения достигается тем, что трехфазный электропривод, содержащий непосредственный преобразователь частоты трехфазного напряжения и подключенный к нему электродвигатель переменного тока, непосредственный преобразователь частоты трехфазного напряжения содержит двухсторонние управляемые силовые ключи с двухсторонними ключевыми элементами, подключенными к фазным входам указанного преобразователя частоты, количество двухсторонних ключевых элементов, подключенных к каждому фазному входу, непосредственный преобразователь частоты трехфазного напряжения равно одному, двум, трем или четырем, другие зажимы каждых трех двухсторонних ключевых элементов, подключенных к разным фазным входам непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, объединены в выходные выводы непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, причем каждый двухсторонний управляемый силовой ключ дополнительно содержит цепь контроля состояния двухстороннего ключевого элемента, имеющую оптопару, подключенную светодиодом к выходу выпрямителя, подключенного к двухстороннему ключевому элементу, а ключевым элементом - к входу системы управления, и цепь управления двухсторонним ключевым элементом, имеющую оптопару, подключенную светодиодом к выходу системы управления, систему питания и синхронизации и систему управления, при этом система питания и синхронизации содержит три источника питания цепей управления двухсторонних ключевых элементов, выполненных в виде цепочек последовательно включенных накопительного конденсатора, разделительного диода, зашунтированных стабилитроном, последовательно с которым включен гасящий резистор, подключенных к мостовому выпрямителю и подключенных параллельно со стороны постоянного тока выпрямителя, накопительного конденсатора и стабилитрона, общая точка конденсатора и диода каждого источника питания цепей управления подключена через ключевой элемент оптопары цепи управления двухсторонним ключевым элементом к управляющим электродам двухсторонних ключевых элементов, выпрямитель по переменной и постоянной сторонам имеет связь с системой управления, система управления выполнена с возможностью реализации алгоритма, обеспечивающего сигнал на ее выходах только при условии закрытого состояния всех двухсторонних ключевых элементов одного плеча преобразователя, и зона отпирания силовых ключей составляет 120 или 60 электрических градусов.

Количество двухсторонних ключевых элементов, подключенных к каждому фазному входу, может быть равно четырем, выходные выводы образуют двухфазный выход в виде двух источников напряжений, смещенных по фазе относительно друг друга на 90 электрических градусов.

Выходные выводы непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения образуют двухфазный выход в виде двух источников напряжений, смещенных по фазе относительно друг друга на 90 электрических градусов.

Два выходных вывода непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения образуют первый однофазный выход, третий выходной вывод непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения вместе с нулевым входом этого преобразователя образует второй однофазный выход, напряжение которого смещено по фазе относительно первого на 90 электрических градусов.

При этом может быть использован двухфазный электродвигатель или электродвигатель, обмотка якоря которого соединена по двухфазной схеме, причем фазы обмотки якоря подключены к фазным выходам преобразователя.

Иногда целесообразно электропривод снабжать двумя однофазными трансформаторами или автотрансформаторами, через которые электродвигатель подключен к непосредственному преобразователю частоты трехфазного напряжения.

Целесообразно бывает также снабжать электропривод двухфазно-трехфазным трансформаторным преобразователем числа фаз, через который электродвигатель подключен к непосредственному преобразователю частоты трехфазного напряжения, причем электродвигатель выполнен трехфазным.

Возможно также, что выходные выводы непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения образуют однофазный выход.

Количество двухсторонних ключевых элементов, подключенных к каждому фазному входу, может быть также равно единице, выходной вывод преобразователя вместе с нулевым входом образуют при этом однофазный выход преобразователя частоты.

В качестве двухсторонних ключевых элементов могут быть использованы симисторы, подключенные к фазным входам катодами.

В качестве двухстороннего ключевого элемента могут быть использованы два встречно-параллельно включенных тиристоров, управляющие электроды которых замкнуты на симистор, а управляющие переходы зашунтированы диодом в обратном направлении, причем симистор включен катодом к фазному входу непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, а управляющий электрод симистора является управляющим электродом двухстороннего ключевого элемента.

Решение поставленной задачи по II варианту достигается тем, что трехфазный электропривод, содержащий непосредственный преобразователь частоты трехфазного напряжения и подключенный к нему однофазный электродвигатель переменного тока, непосредственный преобразователь частоты трехфазного напряжения содержит три двухсторонних управляемых силовых ключа с двухсторонними ключевыми элементами, подключенными по одному к фазным входам непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, другие зажимы двухсторонних ключевых элементов образуют выходные выводы непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, причем обмотка якоря электродвигателя разделена на три части, включенные между выходными выводами непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения и соседними фазными входами или нулевым входом непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, систему питания и синхронизации и систему управления, при этом система питания и синхронизации содержит три источника питания цепей управления двухсторонних ключевых элементов, выполненных в виде цепочек последовательно включенных накопительного конденсатора, разделительного диода, зашунтированных стабилитроном, последовательно с которым включен гасящий резистор, подключенных к мостовому выпрямителю, и подключенных параллельно со стороны постоянного тока выпрямителя, накопительного конденсатора и стабилитрона, общая точка конденсатора и диода каждого источника питания цепей управления подключена через ключевой элемент оптопары цепи управления двухсторонним ключевым элементом к управляющим электродам двухсторонних ключевых элементов, выпрямитель по переменной и постоянной сторонам имеет связь с системой управления, система управления выполнена с возможностью реализации алгоритма, обеспечивающего сигнал на выходах только при условии закрытого состояния всех двухсторонних ключевых элементов одного плеча преобразователя, и зона отпирания силовых ключей составляет 120 или 60 электрических градусов.

Согласно III варианту трехфазный электропривод, содержащий непосредственный преобразователь частоты трехфазного напряжения и подключенный к нему двухфазный электродвигатель переменного тока, непосредственный преобразователь частоты трехфазного напряжения содержит шесть двухсторонних управляемых силовых ключей с двухсторонними ключевыми элементами, подключенных по два к фазным входам непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, другие зажимы двухсторонних ключевых элементов образуют три пары выходных выводов непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, причем каждая фазная обмотка якоря электродвигателя разделена на три части, части одной фазы обмотки включены между первыми тремя выходными выводами непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, силовые ключи которых подключены к разным фазным входам непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения и его нулевым входом, а части второй фазы - между вторыми тремя выходными выводами и соседними фазными входами непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, систему питания и синхронизации и систему управления, при этом система питания и синхронизации содержит три источника питания цепей управления двухсторонних ключевых элементов, выполненных в виде цепочек последовательно включенных накопительного конденсатора, разделительного диода, зашунтированных стабилитроном, последовательно с которым включен гасящий резистор, подключенных к мостовому выпрямителю и подключенных параллельно со стороны постоянного тока выпрямителя, накопительного конденсатора и стабилитрона, общая точка конденсатора и диода каждого источника питания цепей управления подключена через ключевой элемент оптопары цепи управления двухсторонним ключевым элементом к управляющим электродам двухсторонних ключевых элементов, выпрямитель по переменной и постоянной сторонам имеет связь с системой управления, система управления выполнена с возможностью реализации алгоритма, обеспечивающего сигнал на выходах только при условии закрытого состояния всех двухсторонних ключевых элементов одного плеча преобразователя.

По IV варианту трехфазный электропривод, содержащий непосредственный преобразователь частоты трехфазного напряжения и подключенный к нему электродвигатель переменного тока с однофазной обмоткой, однофазная обмотка разделена на три раздельные части, непосредственный преобразователь частоты трехфазного напряжения содержит двенадцать управляемых силовых ключей с односторонними ключевыми элементами, соединенными в три однофазных управляемых мостовых выпрямителя, подключенных постоянными сторонами к разным парам фазных входов непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, а переменными - к указанным частям обмотки якоря электродвигателя, систему питания и синхронизации и систему управления, при этом система питания и синхронизации содержит три источника питания цепей управления двухсторонних ключевых элементов, выполненных в виде цепочек последовательно включенных накопительного конденсатора, разделительного диода, зашунтированных стабилитроном, последовательно с которым включен гасящий резистор, подключенных к мостовому выпрямителю, и подключенных параллельно со стороны постоянного тока выпрямителя, накопительного конденсатора и стабилитрона, общая точка конденсатора и диода каждого источника питания цепей управления подключена через ключевой элемент оптопары цепи управления двухсторонним ключевым элементом к управляющим электродам двухсторонних ключевых элементов, выпрямитель по переменной и постоянной сторонам имеет связь с системой управления, система управления выполнена с возможностью реализации алгоритма, обеспечивающего сигнал на выходах только при условии закрытого состояния всех двухсторонних ключевых элементов одного плеча преобразователя.

При этом электродвигатель может быть снабжен второй однофазной обмоткой, а непосредственный преобразователь частоты трехфазного напряжения - дополнительными тремя однофазными управляемыми мостовыми выпрямителями, которые попарно соединены между собой по постоянной стороне противоположными знаками, а по переменной стороне подключены к частям второй фазы электродвигателя соответственно.

Трехфазный электропривод может быть снабжен двухфазно-трехфазным трансформаторным преобразователем числа фаз, который включен между непосредственным преобразователем частоты трехфазного напряжения и электродвигателем, причем первичные обмотки трансформаторов разделены на три одинаковые части, а электродвигатель снабжен третьей однофазной обмоткой.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена принципиальная схема электропривода с двухфазным электродвигателем на 1,5-кратную частоту вращения, фиг. 2 - схема преобразователя электропривода по фиг. 1, фиг. 3 - схема силового ключа преобразователя с использованием симистора, фиг. 4 - схема силового ключа с использованием встречно-параллельно включенных тиристоров, фиг. 5 - принципиальная схема электропривода с двухфазным электродвигателем на 3-кратную частоту вращения, фиг. 6 - принципиальная схема электропривода с трехфазным электродвигателем на 3-кратную частоту вращения, фиг. 7 - схема преобразователя электропривода для однофазного электродвигателя на 3-кратную частоту вращения (нулевая схема), фиг. 8 - схема преобразователя электропривода для однофазного электродвигателя на 1,5 и 3-кратную частоту вращения (мостовая схема), фиг. 9 - временные диаграммы, поясняющие работу схемы по фиг. 1 (1,5-кратная частота), фиг. 10 - временные диаграммы, поясняющие работу схемы по фиг. 5 (3-кратная частота), фиг. 11 - схема подключения двухфазного электродвигателя к двухфазному выходу преобразователя через трансформаторы, фиг. 12 - схема подключения трехфазного электродвигателя к двухфазному выходу преобразователя частоты через преобразователь числа фаз, фиг. 13-16 и 18 - схемы электроприводов с разделенными обмотками электродвигателя, фиг. 17 - процесс формирования напряжения преобразователя частоты схемы фиг. 16, фиг. 19 - электропривод с преобразователем числа фаз и трехфазным электродвигателем.

Трехфазный электродвигатель переменного тока (фиг. 1) содержит двусторонние силовые ключи 1-6 и 7-12, соединенные в две мостовые схемы непосредственного преобразователя частоты 13 трехфазного напряжения с раздельным двухфазным выходом (FD и EG), и подключенный к нему соответствующими выводами двухфазный электродвигатель переменного тока 14. Преобразователь 13 содержит двухсторонние управляемые силовые ключи (фиг. 2) с двухсторонними ключевыми элементами 15 (фиг. 3), подключенными к фазным входам А, В. С, систему питания и синхронизации 16 и систему управления 17 (фиг. 2). К каждому фазному входу преобразователя подключены по четыре ключа, причем другие зажимы ключей объединены по три от каждой фазы и представляют выходные выводы FDEG. Каждый ключ содержит оптопару управления 18 ключевого элемента (фиг. 3), цепь контроля состояния ключа в виде последовательно соединенных токоограничивающего резистора 19, выпрямительного моста 20, нагруженного со стороны постоянного тока светодиодом 21 оптопары контроля состояния ключа. Цепь контроля состояния ключа подключена параллельно к ключевому элементу 15 (точки а и b).

Система питания и синхронизации (фиг. 2) содержит три источника питания 16 цепей управления ключевых элементов (по числу фаз входа), выполненных в виде цепочек последовательно включенных накопительного конденсатора 22, разделительного диода 23, зашунтированных стабилитроном 24, последовательно с которым подключен гасящий резистор 25 и соответствующая фаза мостового выпрямителя 26 источника питания системы управления, и параллельно подключенные со стороны постоянного тока накопительный конденсатор 27 и стабилитрон 28. При этом цепочки источников питания цепей управления ключевых элементов подключены конденсаторами 22 к соответствующим фазным входам А, В, С со стороны соединения с катодом стабилитрона 24. Общая тока конденсатора 22 и диода 23 каждого источника питания цепей управления подключена к точкам "с" ключей (фиг. 3) и через ключевые элементы оптопар управления 18 (фиг. 3) к управляющим электродам ключевых элементов 15, подключенных к соответствующим фазам входа катодами (фиг. 2). Выпрямитель 26 источника питания системы управления по переменной и постоянной сторонам имеет связь с системой управления 17 (точки k, m, n, "+", "-" фиг. 2).

В каждом канале управления выход системы управления 17 подключен к светодиоду оптопары управления 18 (точки d и е на фиг. 3) ключевого элемента 15, а ключевой элемент оптопары 21 контроля состояния ключа (точки f и g) подключен к информационному входу логической части системы управления 17 (фиг. 2). В описанном электроприводе наиболее оптимальным является выполнение обмоток электродвигателя с одинаковыми фазными обмотками 29, 30 фиг. 1.

В качестве двухсторонних ключевых элементов 15 могут быть использованы симисторы, подключенные к фазным выводам катодами, как изображено на фиг. 1 и 5.

При больших мощностях электропривода возможно использование в качестве силового ключевого элемента 15 в каждом ключе встречно-параллельно соединенных тиристоров 31 и 32 (фиг. 4), управляющие элементы которых подключены к аноду и катоду маломощного симистора 33, который включен катодом в сторону фазного входа (в сторону точки а), управляющие переходы каждого из тиристоров зашунтированы диодом в обратном направлении 34, 35, а управляющий переход симистора является управляющим электродом ключевого элемента 15.

Описанный электропривод при определенном алгоритме управления, изложенном ниже, обеспечивает полуторократную синхронную частоту вращения электродвигателя, благодаря полуторократной частоте выходного напряжения преобразователя.

Основные отличия электропривода по фиг. 5 от электропривода по фиг. 1 заключаются в том. что два выходных вывода преобразователя 13 (D и F фиг. 5) образует первый однофазный выход, третий выходной вывод Е вместе с нулевым входом О образует второй однофазный выход Е-G, а фаза напряжения этого выхода относительно первого смещена на ∂/2, при этом обмотка электродвигателя 14 выполнена двухфазной 29 и 30.

Оптимальным соотношением числа витков фаз 29 и 30 обмотки электродвигателя является W1/W2= v3, причем фаза с числом витков W1 подключается к первому выходу D-F преобразователя 13.

Возможно использование в качестве электродвигателя 14 трехфазного электродвигателя (фиг. 6), причем к первому выходу D-F преобразователя 13 подключена линия двух фаз 36 и 37 обмотки, а ко второму E-G - третья фаза 38.

В электроприводе по фиг. 5, как и по фиг. 1, в качестве силовых ключевых элементов могут быть использованы симисторы, подключенные к фазным выводам катодами, или ключевые элементы 15 по фиг. 4 с встречно-параллельно включенными тиристорами 31, 32.

Электропривод по фиг. 5 при определенном алгоритме управления, описанном ниже, обеспечивает трехкратную частоту вращения благодаря трехкратной частоте выходного напряжения преобразователя.

При двух и одном ключевых элементах, подключенных к каждому фазному входу преобразователя, схемы силовой ее части получают вид фиг. 8 и 7 соответственно. Фактически они представляют собой преобразователи с однофазными выходами, являясь составными частями преобразователя по фиг. 6 с двухфазным выходом.

Следует отметить, что более простые преобразователи используются лишь для электроприводов небольших мощностей, тогда как при больших мощностях приемлемы лишь преобразователи с двухфазными выходами (фиг. 1 и 6).

Часто при больших мощностях электропривода из-за плохого использования преобразователем сетевого напряжения целесообразно повышать выходное напряжение преобразователя с помощью трансформаторов 39 и 40 (фиг. 11 и 12) или автотрансформаторов.

При этом зачастую бывает целесообразнее использование трехфазных двигателей. В этих случаях одновременно с повышением напряжения возможно преобразование двухфазного напряжения в трехфазное с помощью известного, например из (4), двухтрансформаторного преобразователя числа фаз 41, как показано на фиг. 12.

Работу электропривода по фиг. 1 поясняют временные диаграммы фиг. 9. Обмотки 29 и 30 двигателя питаются раздельно от мостовых схем с симисторами 1-6 и 7-12 преобразователя частоты 13. Частота напряжения питания равна полуторократной частоте питающей сети. Осуществлен фазовый сдвиг этих напряжений в 90 эл. градусов (U29, U29 фиг. 9).

Для формирования напряжения обмотки U30 использованы линейные напряжения Uл (фиг. 9). Напряжение нагрузки формируется по циклу в следующей последовательности:
. . . , -СА, АВ, -ВС, СА, -АВ, ВС, . . . при этом отпираются соответственно следующие пары силовых ключей (5, 2) (2, 3) (3, 6) (6, 1) (1, 4), (4, 5), . . .

В силу индуктивного характера нагрузки преобразователя имеет место инверторный режим работы, то есть включение очередного ключа задерживается во времени, определяемом параметрами обмотки двигателя, что видно из временных диаграмм тока обмотки 129, 130 (фиг. 9).

Поэтому определены зоны возможного отпирания силовых ключей в 210 эл. градусов путем логического совпадения сигналов, соответствующих фазным напряжениям, для их положительного и отрицательного значений с помощью сигналов, приходящих по каналам синхронизации к, m, n (для отрицательных значений фазных напряжений используется инверсия). При этом, на срезах этих сигналов формируют задержку на 30 эл. градусов. Зоны возможного отпирания соответствующих ключей указаны на фиг. 9 пунктиром на временных диаграммах fg.

Для определения момента включения очередного силового ключа, который соответствует моменту прохождения тока через нулевой уровень, система управления реализует алгоритм: сигнал на выходах de может появляться только при условии закрытого состояния всех ключей одного плеча моста (1, 3, 5 или 2, 4, 6). Иными словами, только при наличии единичного уровня на трех информационных входах fd возможен единичный уровень на одном из выходов de. Полное логическое уравнение для сигналов принимает вид (например, ключа 1):
1de= 1fg. 3fg. 5fg. (Сn+30 эл. град. )
Как видно из уравнения и временных диаграмм фиг. 9 (1de. . . 6de), длительность этих сигналов мала и физически определяется временем отпирания ключа. Это условие позволяет создать экономичную по потреблению систему управления.

Аналогично для формирования напряжения обмотки (U29 фиг. 1) из линейных напряжений сети (Uл фиг. 9) использована мостовая схема соединений ключей 7. . . 12, работающих по циклу. . . ВС, -СА, АВ, -ВС, СА, -АВ. . .

Из временных диаграмм фиг. 9 видно, что токи обмоток I29 и I30 имеют полуторную частоту с фазовым сдвигом в 90 эл. градусов, что создает условия вращения двигателя с полуторной скоростью.

При подаче напряжения питания на клеммы АВС конденсаторы 22 и 27 заряжаются до напряжения, ограниченного уровнем стабилизации стабилитронов 24 и 28 (фиг. 2). Ток заряда определяется величиной гасящих резисторов 25.

При реализации алгоритма системой управления в зависимости от значения сигналов fg и внутренней логики на выходах de появляются сигналы, отпирающие ключевой элемент оптопары управления 18 (фиг. 3). При этом конденсатор 22 начинает разряжаться на управляющий электрод силового ключевого элемента 15, отпирая его. Как только силовой ключ откроется, по информационному входу fg поступает сигнал на систему управления 17, запирающий оптопару управления силового ключа 18, что прекращает разряд накопительного конденсатора 22.

При использовании в качестве силового элемента двух встречно-параллельно включенных тиристоров (фиг. 4) схема работает следующим образом: при отпирании ключевого элемента оптопары управления 18 накопительный конденсатор 22 разряжается по цепочке: управляющий переход симистора, диод 34, фаза, - отпирая симистор, при отрицательном значении напряжения фазы по управляющему переходу тиристора 32 начинает протекать ток от "b" к "а" через диод 35 и симистор 33, открывая его. При положительном значении фазы ток управляющего перехода тиристора 31 протекает от "а" к "b" по цепи диода 34 и симистора 33.

Работу трехфазного электропривода переменного тока по фиг. 5 поясняют временные диаграммы фиг. 10. Обмотка 29 двигателя питается от нулевой схемы ключами 7-9, а обмотка 30 - от мостовой схемы с ключами 1-6. Частота напряжения питания равна утроенной частоте питающей сети. Осуществлен фазовый сдвиг этих напряжений в 90 эл. градусов.

Для формирования напряжения обмотки U29 использованы фазные напряжения Uф (фиг. 10). В каждой полуволне напряжения выделяется зона возможного включения cилового ключа от 120 до 180 эл. градусов. Напряжение нагрузки формируется по циклу в следующей последовательности: . . . А, -С, В, -А, С, -В. . . , при этом отпираются соответственно следующие силовые ключи. . . 7, 9, 8, 7, 9, 8. . . .

В силу индуктивного характера нагрузки преобразователя имеет место инверторный режим работы, то есть включение очередного ключа задерживается на время, определяемое параметрами обмотки двигателя, что видно из временных диаграмм тока обмотки 129 (фиг. 10).

Поэтому определены зоны возможного отпирания силовых ключей в 60 эл. градусов путем логического совпадения сигналов, соответствующих фазным напряжениям, для их положительного и отрицательного значений с помощью сигналов, приходящих по каналам синхронизации k, m, n, (для отрицательных значений фазных напряжений использована инверсия). Зоны возможного отпирания соответствующих ключей указаны на фиг. 10 пунктиром на временных диаграммах fg.

Для определения момента включения очередного силового ключа, который соответствует моменту прохождения тока через нулевой уровень, система управления реализует алгоритм: сигнал на выходах de может появиться только при условии закрытого состояния ключей. Иными словами, только при наличии единичного уровня на всех информационных входах fg возможен единичный уровень на одном из выходов de. Полное логическое уравнение для сигналов принимает вид (например, для ключа 7):
7de= 7fg. 8fg. 9fg. [Ak. Bm+(-Ak). (Bm)] .

Как видно из уравнения и временных диаграмм фиг. 10 (7de. . . 9de), длительность этих сигналов мала и физически определяется временем отпирания ключа. Это условие позволяет создать экономичную по потреблению систему управления.

Для формирования тока обмотки 30 фиг. 5 использована мостовая схема соединения ключей 1. . . 6 из линейных напряжений сети (Uл фиг. 10) по циклу. . . АВ, -СА, ВС, -АВ, СА, -ВС. . . , при этом отпирается соответственно пара ключей. . . (4,1) (1,6) (6,3) (3,2) (2,5) (5,4). . .

Зоны возможного отпирания ключей определяются 120 эл. градусами путем логического совпадения сигналов двух фазных напряжений к m n. На фиг. 10 эти зоны выделены пунктирной линией 1fg. . . 6fg.

Для исключения короткого замыкания по линейному напряжению вводится логический запрет на импульсы de в случае, если открыт один из ключей, подсоединенных к одной выходной клемме (1, 3, 5 или 2, 4, 6), используя информационные каналы fg. Общее логическое уравнение (на примере ключа 1) примет вид:
1de= 1fg. 3fg. 5fg. [(Cn). Ak] .

Как видно из уравнения и временных диаграмм фиг. 10 (1de. . . 6de), импульсы получаются сдвоенные, а их длительность определяется временем отпирания ключа.

Из временных диаграмм фиг. 10 видно, что токи обмоток 129, 130 имеют утроенную частоту с фазовым сдвигом в 90 эл. градусов, что создает условия вращения двигателя с тройной скоростью.

Из описания работы электропривода по фиг. 1 и 5 ясно, что мостовая схема преобразователя (ключи 1-6) в зависимости от диапазона углов управления и алгоритма управления может обеспечивать повышение частоты как в 1,5 раза, так и в 3 раза, а нулевая схема (ключи 7-9) - только в 3 раза. Этот вывод распространяется и на преобразователи с однофазным выходом (фиг. 7 и 8).

Для обеспечения возможности плавного уменьшения частоты вращения управляющая часть преобразователя может быть снабжена устройством регулирования, выполненным в виде регулятора напряжения. При этом в качестве электродвигателя должен быть использован асинхронный электродвигатель, например короткозамкнутый, желательно с повышенным скольжением, что позволяет расширить реальный диапазон плавного регулирования частоты вращения изменением напряжения.

Для реализации канала управления с регулятором напряжения логическая часть системы управления содержит фазосдвигающее устройство, осуществляющее регулирование фазового сдвига импульсов синхронизации. За счет изменения фазы импульсов синхронизации в пределах (150-180) град. , а в электроприводах с полуторократной частотой вращения (фиг. 1, 8, 11 и 12) напряжение на выходе преобразователя изменяется от номинального значения до нуля.

Электропривод по II варианту содержит преобразователь 13 (фиг. 13-14). К фазным входам А, В, С которого подключены двухсторонние управляемые силовые ключи 7-9. Обмотка якоря 46 электродвигателя разделена на три части. Эти части включены между выходными выводами 45 и соседними фазными входами В, С, А (фиг. 14) или нулевым входом О преобразователя (фиг. 13).

Схемы фиг. 13 и 14 обеспечивают утроение частоты, а процесс формирования выходного напряжения преобразователя аналогичен процессу схем фиг. 7 и 8 (фиг. 10).

Электропривод по III варианту представляет собой фактически комбинацию схем фиг. 13 и 14, обеспечивающую утроение частоты для двухфазного электродвигателя с разделенными частями фаз 46, процесс формирования двухфазного выходного напряжения преобразователя аналогичен процессу в схеме фиг. 6 (фиг. 10).

Электропривод по IV варианту (фиг. 16) содержит три полностью управляемых мостовых выпрямителя 47, включенных по постоянной стороне не к линиям трехфазной сети, а по переменной - к трем подразделенным частям 46 обмотки якоря электродвигателя. Преобразователь обеспечивает повышение частоты в 1,5 раза. Процесс формирования его выходного напряжения обеспечивается алгоритмом включения тиристоров в соответствии с фиг. 17. При этом используется лишь один полупериод линейных напряжений сети.

Преобразователь электропривода по IV варианту может быть выполнен с двухфазным выходом для двухфазного электродвигателя (фиг. 18). Для этого электропривод снабжен вторым комплектом управляемых выпрямителей 48, подключенных по постоянной стороне к линиям сети с противоположным выпрямителям 47 знаком, а по переменной - к подразделенным частям второй фазы двигателя. Процесс формирования второй фазы выходного напряжения преобразователя аналогичен процессу первой, при этом используются вторые полупериоды линейных напряжений сети, а алгоритм работы ключей выпрямителей 48 смещен относительно алгоритма выпрямителей 47 на треть полупериода напряжения сети, что обеспечивает квадратуру выходных напряжений преобразователя.

Следует отметить, что электропривод по фиг. 18 может быть снабжен однофазными автотрансформаторами или трансформаторами, включенными между выходами преобразователя частоты и фазами электродвигателя аналогично фиг. 11. При этом обмотки автотрансформаторов или первичные обмотки трансформаторов должны быть подразделены на три одинаковые части, а фазы двигателя могут быть без подразделения.

Кроме того, для применения в электроприводе трехфазного двигателя с фазами 36 - 38 (фиг. 19) может быть использован двухтрансформаторный преобразователь числа фаз 41 аналогично фиг. 12. При этом первичные обмотки трансформаторов 39 и 40 должны быть разделены на три одинаковые части, а обмотки 39 и 40 подключены к управляемым выпрямителям соответственно 47 и 48 (фиг. 18) преобразователя частоты.

Таким образом, благодаря опторазвязкам 18 и 21 силовой и управляющей цепей ключа преобразователя частоты (фиг. 3) и схемы силовой части преобразователя (фиг. 1, 2, 5-8) достигается повышение частоты вращения и возможность выполнения электропривода без трансформаторов как в цепи преобразователя частоты управления, так и в силовой цепи со всеми вытекающими отсюда достоинствами - упрощением, улучшением массогабаритных показателей, повышением и надежности и КПД.

Электроприводы по II-IV вариантам являются в принципе более надежными, чем по I варианту, благодаря разделению выходных цепей преобразователя частоты, исключающую всякую возможность коротких замыканий его.

Схемы фиг. 15, 18, 19 так же, как и схемы фиг. 5, 6, 11, и 12, могут использоваться для электроприводов большой мощности.

Источники информации
1. А. В. Иванов-Смоленский, "Электрические машины", Москва, "Энергия", 1980, стр. 791-792, стр. 140-141.

2. Авторское свидетельство СССР 1815766, кл. Н 02 К 5/27, 1993.

3. А. К. Аракелян и др. "Вентильный электропривод с синхронным двигателем и зависимым инвентором", Москва, "Энергия", 1977, стр. 20-23.

4. А. В. Иванов-Смоленский "Электрические машины", М. , "Энергия", 1980, с. 140-141.

Claims (14)

1. Трехфазный электропривод, содержащий непосредственный преобразователь частоты трехфазного напряжения и подключенный к нему электродвигатель переменного тока, отличающийся тем, что непосредственный преобразователь частоты трехфазного напряжения содержит двусторонние управляемые силовые ключи с двусторонними ключевыми элементами, подключенными к фазным входам указанного преобразователя частоты, количество двусторонних ключевых элементов, подключенных к каждому фазному входу непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, равно одному, двум, трем или четырем, другие зажимы каждых трех двусторонних ключевых элементов, подключенных к разным фазным входам непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, объединены в выходные выводы непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, причем каждый двусторонний управляемый силовой ключ дополнительно содержит цепь контроля состояния двустороннего ключевого элемента, имеющую оптопару, подключенную светодиодом к выходу выпрямителя, подключенного к двустороннему ключевому элементу, а ключевым элементом - к входу системы управления, и цепь управления двусторонним ключевым элементом, имеющую оптопару, подключенную светодиодом к выходу системы управления, систему питания и синхронизации и систему управления, при этом система питания и синхронизации содержит три источника питания цепей управления двусторонних ключевых элементов, выполненных в виде цепочек последовательно включенных накопительного конденсатора, разделительного диода, зашунтированных стабилитроном, последовательно с которым включен гасящий резистор, подключенных к мостовому выпрямителю, и подключенных параллельно со стороны постоянного тока выпрямителя, накопительного конденсатора и стабилитрона, общая точка конденсатора и диода каждого источника питания цепей управления подключена через ключевой элемент оптопары цепи управления двусторонним ключевым элементом к управляющим электродам двусторонних ключевых элементов, выпрямитель по переменной и постоянной сторонам имеет связь с системой управления, система управления выполнена с возможностью реализации алгоритма, обеспечивающего сигнал на ее выходах только при условии закрытого состояния всех двусторонних ключевых элементов одного плеча преобразователя и зона отпирания силовых ключей составляет 120 или 60 эл. град.

2. Электропривод по п. 1, отличающийся тем, что выходные выводы непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения образуют двухфазный выход в виде двух источников напряжений, смещенных по фазе относительно друг друга на 90 эл. град.

3. Электропривод по п. 1, отличающийся тем, что два выходных вывода непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения образуют первый однофазный выход, третий выходной вывод непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения вместе с нулевым входом этого преобразователя образует второй однофазный выход, напряжение которого смещено по фазе относительно первого на 90 эл. град.

4. Электропривод по п. 1, отличающийся тем, что снабжен двумя однофазными трансформаторами или автотрансформаторами, через которые электродвигатель подключен к непосредственному преобразователю частоты трехфазного напряжения.

5. Электропривод по п. 1, отличающийся тем, что снабжен двухфазно-трехфазным трансформаторным преобразователем числа фаз, через который электродвигатель подключен к непосредственному преобразователю частоты трехфазного напряжения, причем электродвигатель выполнен трехфазным.

6. Электропривод по п. 1, отличающийся тем, что выходные выводы непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения образуют однофазный выход.

7. Электропривод по п. 1, отличающийся тем, что выходной вывод непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения вместе с нулевым входом образуют однофазный выход.

8. Электропривод по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что в качестве двусторонних ключевых элементов использованы симисторы, подключенные к фазным входам катодами.

9. Электропривод по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что в качестве двустороннего ключевого элемента использованы два встречно-параллельно включенных тиристора, управляющие электроды которых замкнуты на симистор, а управляющие переходы зашунтированы диодом в обратном направлении, причем симистор включен катодом к фазному входу непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, а управляющий электрод симистора является управляющим электродом двустороннего ключевого элемента.

10. Трехфазный электропривод, содержащий непосредственный преобразователь частоты трехфазного напряжения и подключенный к нему однофазный электродвигатель переменного тока, отличающийся тем, что непосредственный преобразователь частоты трехфазного напряжения содержит три двусторонних управляемых силовых ключа с двусторонними ключевыми элементами, подключенными по одному к фазным входам непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, другие зажимы двусторонних ключевых элементов образуют выходные выводы непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, причем обмотка якоря электродвигателя разделена на три части, включенные между выходными выводами непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения и соседними фазными входами или нулевым входом непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, систему питания и синхронизации и систему управления, при этом система питания и синхронизации содержит три источника питания цепей управления двусторонних ключевых элементов, выполненных в виде цепочек последовательно включенных накопительного конденсатора, разделительного диода, зашунтированных стабилитроном, последовательно с которым включен гасящий резистор, подключенных к мостовому выпрямителю, и подключенных параллельно со стороны постоянного тока выпрямителя, накопительного конденсатора и стабилитрона, общая точка конденсатора и диода каждого источника питания цепей управления подключена через ключевой элемент оптопары цепи управления двусторонним ключевым элементом к управляющим электродам двусторонних ключевых элементов, выпрямитель по переменной и постоянной сторонам имеет связь с системой управления, система управления выполнена с возможностью реализации алгоритма, обеспечивающего сигнал на выходах только при условии закрытого состояния всех двусторонних ключевых элементов одного плеча преобразователя и зона отпирания силовых ключей составляет 120 или 60 эл. град.

11. Трехфазный электропривод, содержащий непосредственный преобразователь частоты трехфазного напряжения и подключенный к нему двуфазный электродвигатель переменного тока, отличающийся тем, что непосредственный преобразователь частоты трехфазного напряжения содержит шесть двусторонних управляемых силовых ключей с двусторонними ключевыми элементами, подключенных по два к фазным входам непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, другие зажимы двусторонних ключевых элементов образуют три пары выходных выводов непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, причем каждая фазная обмотка якоря электродвигателя разделена на три части, части одной фазы обмотки включены между первыми тремя выходными выводами непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, силовые ключи которых подключены к разным фазным входам непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения и его нулевым входом, а части второй фазы - между вторыми тремя выходными выводами и соседними фазными входами непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, систему питания и синхронизации и систему управления, при этом система питания и синхронизации содержит три источника питания цепей управления двусторонних ключевых элементов, выполненных в виде цепочек последовательно включенных накопительного конденсатора, разделительного диода, зашунтированных стабилитроном, последовательно с которым включен гасящий резистор, подключенных к мостовому выпрямителю, и подключенных параллельно со стороны постоянного тока выпрямителя, накопительного конденсатора и стабилитрона, общая точка конденсатора и диода каждого источника питания цепей управления подключена через ключевой элемент оптопары цепи управления двусторонним ключевым элементом к управляющим электродам двусторонних ключевых элементов, выпрямитель по переменной и постоянной сторонам имеет связь с системой управления, система управления выполнена с возможностью реализации алгоритма, обеспечивающего сигнал на выходах только при условии закрытого состояния всех двусторонних ключевых элементов одного плеча преобразователя.

12. Трехфазный электропривод, содержащий непосредственный преобразователь частоты трехфазного напряжения и подключенный к нему электродвигатель переменного тока с однофазной обмоткой, отличающийся тем, что однофазная обмотка разделена на три раздельные части, непосредственный преобразователь частоты трехфазного напряжения содержит двенадцать управляемых силовых ключей с односторонними ключевыми элементами, соединенными в три однофазных управляемых мостовых выпрямителя, подключенных постоянными сторонами к разным парам фазных входов непосредственного преобразователя частоты трехфазного напряжения, а переменными - к указанным частям обмотки якоря электродвигателя, систему питания и синхронизации и систему управления, при этом система питания и синхронизации содержит три источника питания цепей управления двусторонних ключевых элементов, выполненных в виде цепочек последовательно включенных накопительного конденсатора, разделительного диода, зашунтированных стабилитроном, последовательно с которым включен гасящий резистор, подключенных к мостовому выпрямителю, и подключенных параллельно со стороны постоянного тока выпрямителя, накопительного конденсатора и стабилитрона, общая точка конденсатора и диода каждого источника питания цепей управления подключена через ключевой элемент оптопары цепи управления двусторонним ключевым элементом к управляющим электродам двусторонних ключевых элементов, выпрямитель по переменной и постоянной сторонам имеет связь с системой управления, система управления выполнена с возможностью реализации алгоритма, обеспечивающего сигнал на выходах только при условии закрытого состояния всех двусторонних ключевых элементов одного плеча преобразователя.

13. Трехфазный электропривод по п. 12, отличающийся тем, что электродвигатель снабжен второй однофазной обмоткой, а непосредственный преобразователь частоты трехфазного напряжения - дополнительными тремя однофазными управляемыми мостовыми выпрямителями, которые попарно соединены между собой по постоянной стороне противоположными знаками, а по переменной стороне подключены к частям второй фазы электродвигателя соответственно.

14. Трехфазный электропривод по п. 13, отличающийся тем, что он снабжен двухфазно-трехфазным трансформаторным преобразователем числа фаз, который включен между непосредственным преобразователем частоты трехфазного напряжения, и электродвигателем, причем первичные обмотки трансформаторов разделены на три одинаковые части, а электродвигатель снабжен третьей однофазной обмоткой.

Images