RU44901U1

RU44901U1 - MOTOR POWER CONVERTER

Info

Publication number: RU44901U1
Application number: RU2004113273/22U
Authority: RU
Inventors: В.Н. Давыдов; Б.В. Никифоров; А.В. Юрин; В.Р. Апиков; Р.А. Тумасянц; А.П. Темирев; О.Е. Лозицкий; В.М. Павлюков; И.А. Квятковский; А.А. Диденко
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Производственно-конструкторское предприятие "ИРИС"
Priority date: 2004-04-29
Filing date: 2004-04-29
Publication date: 2005-03-27

Abstract

Сущность изобретения: для повышения коэффициента полезного действия в цепь каждой фазы обмотки электродвигателя, питающегося от инвертора напряжения, выполненного по мостовой или полумостовой схеме, последовательно включены сглаживающие дроссели, а параллельно фазам обмотки включены емкости. Это позволяет сглаживать высокочастотные пульсации фазных токов на выходе инвертора, работающего в режиме ШИМ, и снизить потери в стали магнитопровода.The inventive to increase the efficiency in the circuit of each phase of the winding of the electric motor, powered by a voltage inverter, made according to the bridge or half-bridge circuit, smoothing inductors are connected in series, and capacitors are connected in parallel with the winding phases. This allows you to smooth out the high-frequency pulsations of the phase currents at the output of the inverter operating in the PWM mode and reduce losses in the steel of the magnetic circuit.

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям постоянного напряжения для питания асинхронных, синхронных и индукторных двигателей и может быть использовано в регулируемых электроприводах компрессоров, насосов, вентиляторов и т.п.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to DC-DC converters for powering asynchronous, synchronous and induction motors and can be used in controlled electric drives of compressors, pumps, fans, etc.

Известны преобразователи постоянного напряжения, предназначенные для питания электродвигателей переменного тока и состоящие из входного преобразователя - регулятора напряжения и выходного преобразователя постоянного напряжения в переменное - инвертора. (Электровозостроение. Сб. науч. тр. ОАО «Всероссийский н.-и. и проектно-конструкт. институт электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ»), 1998, т.40, стр.78-90, 221-230).Known DC-DC converters designed to power AC electric motors and consisting of an input converter - a voltage regulator and an output converter of DC to AC - inverter. (Electric locomotive construction. Collection of scientific papers by the All-Russian Scientific and Technical Institute OJSC and Design and Engineering Institute of Electric Locomotive Engineering (VELNII OJSC), 1998, v.40, pp. 78-90, 221-230).

Входной преобразователь постоянного напряжения содержит один или и два управляемых полупроводниковых ключа, соединяемых последовательно с дросселем и подключенных к сети постоянного тока, один или два обратных диода и накопительную емкость и выполняет функцию регулирования величины напряжения, поступающего на вход инвертора. Инвертор в зависимости от числа фаз содержит два и более управляемых полупроводниковых ключа на каждую фазу двигателя, собранных по мостовой или полумостовой схеме в зависимости от типа двигателя, и формирует кривую выходного напряжения путем соответствующей коммутации ключей.The input DC-DC converter contains one or two controlled semiconductor switches connected in series with the inductor and connected to the DC network, one or two reverse diodes and a storage capacitor and performs the function of regulating the amount of voltage supplied to the inverter input. The inverter, depending on the number of phases, contains two or more controlled semiconductor switches for each phase of the motor, assembled according to a bridge or half-bridge circuit depending on the type of motor, and generates an output voltage curve by appropriate switching of the switches.

Недостатком известного преобразователя является двойное преобразование электрического напряжения, что приводит к увеличению количества полупроводниковых элементов, а следовательно к увеличению стоимости преобразователя и электрических потерь в нем. Увеличение количества полупроводниковых элементов приводит к увеличению количества отказов и к снижению надежности преобразователя.A disadvantage of the known converter is the double conversion of electrical voltage, which leads to an increase in the number of semiconductor elements, and therefore to an increase in the cost of the converter and electric losses in it. An increase in the number of semiconductor elements leads to an increase in the number of failures and to a decrease in the reliability of the converter.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является преобразователь постоянного напряжения в переменное - автономный инвертор напряжения (АИН), предназначенный для питания двигателей переменного тока и содержащий полупроводниковые ключи, собранные по мостовой или полумостовой схеме, подключенные к питающей сети через фильтрующую емкость. (Рязанов Ю.К. Основы силовой электроники. - М. : Энергоатомиздат, 1992 г.).The closest in technical essence to the claimed solution is a DC-to-AC converter - an autonomous voltage inverter (AIN), designed to power AC motors and containing semiconductor switches assembled according to a bridge or half-bridge circuit, connected to the mains through a filtering tank. (Ryazanov Yu.K. Fundamentals of power electronics. - M.: Energoatomizdat, 1992).

АИН, работающий в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ), осуществляет формирование и регулирование напряжения, поступающего на фазные обмотки двигателя в виде импульсов определенной полярности, длительности и частоты. Требуемая форма кривой выходного напряжения АИН достигается изменением числа и длительности выходных импульсов путем соответствующей коммутации ключей.AIN, operating in pulse width modulation (PWM) mode, generates and regulates the voltage supplied to the phase windings of the motor in the form of pulses of a certain polarity, duration and frequency. The required shape of the output voltage curve of the AIN is achieved by changing the number and duration of the output pulses by appropriate switching of the keys.

Недостатком является низкий коэффициент полезного действия электропривода с использованием АИН из-за наличия в кривой фазного тока высокочастотной составляющей, обусловленной коммутацией ключей в режиме ШИМ и вызывающей существенные потери в стали магнитопровода двигателя и преобразователе. Так, например, частота пульсаций кривой тока индукторного двигателя, подключенного к АИН, составляет 20 кГц и более.The disadvantage is the low efficiency of the electric drive using AIN due to the presence of a high-frequency component in the phase current curve due to switching keys in PWM mode and causing significant losses in the steel of the motor magnetic circuit and inverter. So, for example, the ripple frequency of the current curve of the induction motor connected to the AIN is 20 kHz or more.

Задачей настоящего изобретения является повышение коэффициента полезного действия электропривода путем снижения пульсаций выходного тока преобразователя.The objective of the present invention is to increase the efficiency of the electric drive by reducing the ripple of the output current of the Converter.

Указанная задача решается тем, что в известном преобразователе, содержащем полупроводниковые ключи, собранные по мостовой или полумостовой схеме, подключенные к сети постоянного тока и к фазной обмотке двигателя, в цепь фазы обмотки последовательно включены сглаживающие дроссели, а параллельно фазе обмотке включена емкость.This problem is solved by the fact that in a known converter containing semiconductor switches assembled according to a bridge or half-bridge circuit, connected to a direct current network and to a phase winding of the motor, smoothing inductors are connected in series to the winding phase circuit, and a capacitance is connected in parallel to the winding phase.

Сущность изобретения состоит в том, что применение в известном преобразователе индуктивно-емкостного фильтра позволяет существенно The essence of the invention lies in the fact that the use of a known inverter capacitive filter allows you to significantly

уменьшить высокочастотные пульсации фазного тока создаваемые ШИМ инвертора напряжения, снизить потери в стали магнитопровода и повысить коэффициент полезного действия электропривода примерно на 2...4%. Положительный эффект предлагаемого преобразователя с фильтром в цепи переменного тока на выходе инвертора подтверждается стендовыми испытаниями макетных образцов двигателей различной мощности. Так, например, коэффициент полезного действия асинхронного электропривода, за счет применения предложенного преобразователя мощностью 1,5 кВт увеличился с 80% до 84%.reduce the high-frequency ripple of the phase current generated by the PWM of the voltage inverter, reduce the loss in the steel of the magnetic circuit and increase the efficiency of the electric drive by about 2 ... 4%. The positive effect of the proposed converter with a filter in the alternating current circuit at the inverter output is confirmed by bench tests of prototype engines of various power. So, for example, the efficiency of an asynchronous electric drive, due to the use of the proposed converter with a power of 1.5 kW, increased from 80% to 84%.

На рисунке изображена принципиальная схема предложенного преобразователя для питания 3-х фазного индукторного двигателя, где: 1 - емкостный фильтр; 2...7 - транзисторные ключи; 8...13 - обратные диоды; 14...19 - сглаживающие дроссели; 20...22 - емкости; 23 - фаза U; 24 - фаза V, 25 - фаза W.The figure shows a schematic diagram of the proposed Converter for powering a 3-phase induction motor, where: 1 - capacitive filter; 2 ... 7 - transistor switches; 8 ... 13 - reverse diodes; 14 ... 19 - smoothing chokes; 20 ... 22 - capacity; 23 - phase U; 24 - phase V, 25 - phase W.

При работе преобразователя подача напряжения, например, на фазу U (поз.23) производится одновременным открытием транзисторов 2 и 3 и ток в обмотке нарастает до достижения заданной верхней уставки «токового коридора». Затем один из транзисторов 2 или 3 закрывается и ток в фазной обмотке спадает через обратный диод 8 или 9 до достижения заданной нижней уставки. затем закрытый транзистор снова открывается и ток нарастает до значения верхней уставки. Таким образом осуществляется поддержание фазного тока двигателя на заданном уровне в пределах «токового коридора». Частота коммутации транзисторов и частота пульсаций тока зависят от ширины «токового коридора». Для сглаживания высокочастотных пульсаций тока в фазе индукторного двигателя используются два дросселя 14 и 15 и емкость 20. Для уменьшения помех радиоприему вместо дросселей 14 и 15 применяется один двухобмоточный дроссель со встречным включением обмоток. Для питания 3-х фазного асинхронного двигателя, фазы которого соединены When the converter is operating, voltage is supplied, for example, to phase U (pos. 23) by simultaneously opening transistors 2 and 3 and the current in the winding rises to reach the specified upper setting of the “current corridor”. Then one of the transistors 2 or 3 is closed and the current in the phase winding drops through the reverse diode 8 or 9 until the specified lower setting is reached. then the closed transistor opens again and the current rises to the value of the upper setting. Thus, the phase current of the motor is maintained at a given level within the "current corridor". The switching frequency of the transistors and the frequency of the ripple current depend on the width of the "current corridor". To smooth high-frequency ripple currents in the phase of the induction motor, two inductors 14 and 15 and a capacitor 20 are used. To reduce interference with radio reception, instead of inductors 14 and 15, one double-winding inductor with onward switching of the windings is used. To power a 3-phase asynchronous motor, the phases of which are connected

в звезду с общей нулевой точкой, используется преобразователь с одним включенным в каждую фазу сглаживающим дросселем.in a star with a common zero point, a converter is used with one smoothing inductor included in each phase.

На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый нами преобразователь отвечает критериям «Новизна», «Изобретательский уровень», «Промышленная применимость» и может быть защищен патентом Российской Федерации.Based on the foregoing and based on the results of our patent information search, we believe that our converter meets the criteria of “Novelty”, “Inventive step”, “Industrial applicability” and can be protected by a patent of the Russian Federation.

Claims

A converter for powering an electric motor, containing semiconductor switches assembled according to a bridge or half-bridge circuit, connected to a direct current network through a capacitive filter and to a phase winding of the motor, characterized in that smoothing inductors are connected in series to the winding phase circuit and a capacitance is connected in parallel to the winding phase.