RU59345U1

RU59345U1 - HIGH VOLTAGE FREQUENCY CONVERTER FOR STARTING AND REGULATING THE SPEED OF A POWERFUL ELECTRIC MOTOR HAVING ONE OR SEVERAL THREE-PHASE WINDING (ITS OPTIONS)

Info

Publication number: RU59345U1
Application number: RU2005128742/22U
Authority: RU
Inventors: Георгий Маркович Мустафа; Геннадий Михайлович Минаев; Александр Дмитриевич Ильинский; Михаил Викторович Бабурин
Original assignee: Георгий Маркович Мустафа; Геннадий Михайлович Минаев; Александр Дмитриевич Ильинский; Михаил Викторович Бабурин
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2006-12-10

Abstract

Заявляемое техническое решение относится к преобразователям частоты для пуска и регулирования скорости мощного электродвигателя, например, для пуска и управления работой мощных высоковольтных синхронных электродвигателей (при рабочих напряжениях 6...10 кВ, при мощности от сотен кВт до десятков МВт). Задача, на решение которой направлено техническое решение, заключается в обеспечении плавного пуска электродвигателя, обеспечения возможности совместной работы электродвигателя с питающими его инверторами в режимах, близких к оптимальным, за счет изменения угла сдвига между током и напряжением фаз электродвигателя от опережающего до отстающего, а также за счет приближения формы фазных токов к синусоиде. Достижение технического результата обеспечивается тем, что последовательно с фазами трехфазных обмоток электродвигателя подключены источники вспомогательных ЭДС, каждый из которых выполнен в виде коммутатора, состоящего из 4-х полностью управляемых вентилей, обладающих обратной проводимостью (например, IGBT), соединенных по схеме однофазного моста, к выводам постоянного тока которого подключен конденсатор, не имеющий подключений к внешним источникам или потребителям электрической энергии. В устройства управления вентилями каждого коммутатора введены: фазосмещающее устройство, два сумматора, регулятор напряжения, датчик напряжения конденсатора и блок задания величины вспомогательной ЭДС; входы первого сумматора соединены с выходами датчика напряжения и блока задания величины вспомогательной ЭДС; а его выход - со входом регулятора напряжения; The claimed technical solution relates to frequency converters for starting and controlling the speed of a powerful electric motor, for example, for starting and controlling the operation of powerful high-voltage synchronous electric motors (at operating voltages of 6 ... 10 kV, with power from hundreds of kW to tens of MW). The problem to which the technical solution is directed is to ensure a smooth start of the electric motor, to enable the electric motor to work together with the inverters supplying it in optimal modes by changing the angle of shift between the current and the voltage of the electric motor phases from leading to lagging, and due to the approximation of the phase current shape to the sinusoid. The achievement of the technical result is ensured by the fact that auxiliary emf sources are connected in series with the phases of the three-phase windings of the electric motor, each of which is made in the form of a switch, consisting of 4 fully controllable valves having reverse conductivity (for example, IGBT), connected by a single-phase bridge circuit, to the DC terminals of which a capacitor is connected that does not have connections to external sources or consumers of electrical energy. The gate control devices of each switch are: phase shifting device, two adders, voltage regulator, capacitor voltage sensor and unit for setting the value of auxiliary EMF; the inputs of the first adder are connected to the outputs of the voltage sensor and the unit for setting the magnitude of the auxiliary EMF; and its output - with the input of the voltage regulator;

входы второго сумматора соединены с выходами регулятора напряжения и блока задания угла опережения; а его выход - с одним входом фазосмещающего устройства, другой вход которого соединен с выходом преобразователя синхросигналов в последовательность опорных функций. Дополнительно технический результат обеспечивается введением блоков модуляции ширины импульсов управления вентилями коммутаторов, входы которых соединены с соответствующими датчиками токов фаз электродвигателя. Для расширения области применения устройства предложено выполнение коммутаторов по схеме трехуровневого однофазного модуля, а также последовательное соединение нескольких коммутаторов. Другим вариантом устройства является подключение совокупности источников вспомогательных ЭДС, электрически соединенных в трехфазную схему типа «звезда» без вывода нулевой точки к концам фазных обмоток электродвигателя (начала фазных обмоток подключены к инвертору).the inputs of the second adder are connected to the outputs of the voltage regulator and the angle setting unit; and its output is with one input of the phase shifting device, the other input of which is connected to the output of the clock converter into a sequence of reference functions. In addition, the technical result is provided by the introduction of pulse width modulation blocks for controlling the valves of the switches, the inputs of which are connected to the corresponding sensors of the currents of the phases of the electric motor. To expand the scope of the device, it is proposed that the switches be implemented according to the scheme of a three-level single-phase module, as well as a series connection of several switches. Another device option is to connect a set of auxiliary emf sources electrically connected to a three-phase star-type circuit without outputting a zero point to the ends of the phase windings of the electric motor (the beginning of the phase windings are connected to the inverter).

Description

Высоковольтный преобразователь частоты для пуска и регулирования скорости мощного электродвигателя, имеющего одну или несколько трехфазных обмоток (его варианты).A high-voltage frequency converter for starting and controlling the speed of a powerful electric motor having one or more three-phase windings (its variants).

Заявляемое техническое решение относится к электротехнике, а именно, к преобразователям частоты для питания фазных обмоток (для пуска и регулирования скорости) мощного электродвигателя, например, для пуска и управления работой мощных высоковольтных синхронных электродвигателей (в классе рабочих напряжений 6...10 кВ, при мощности от сотен кВт до десятков МВт).The claimed technical solution relates to electrical engineering, namely, to frequency converters for supplying phase windings (for starting and speed control) of a powerful electric motor, for example, for starting and controlling the operation of high-power high-voltage synchronous electric motors (in the class of operating voltages of 6 ... 10 kV, with power from hundreds of kW to tens of MW).

Известно устройство (1) для питания фазных обмоток синхронного электродвигателя, выполненное на основе трехфазного инвертора, коммутируемого нагрузкой. Недостаток этого устройства - плохой пуск электродвигателя. Вследствие отсутствия ЭДС электродвигателя в начале разгона и, следовательно, отсутствия напряжения, запирающего тиристоры инвертора, процесс пуска сопровождается паузами тока в фазных обмотках двигателя и, как следствие, провалами момента электродвигателя (толчками), что неблагоприятно отражается на работе привода в целом. Кроме того, при больших индуктивных сопротивлениях обмоток статора (с учетом времени восстановления тиристоров) электродвигатель работает с низким коэффициентом мощности, что не позволяет достичь технико-экономических показателей, близких к оптимальным.A device (1) is known for powering the phase windings of a synchronous electric motor, made on the basis of a three-phase inverter switched by a load. The disadvantage of this device is a poor start of the electric motor. Due to the lack of EMF of the electric motor at the beginning of acceleration and, consequently, the absence of voltage blocking the inverter thyristors, the starting process is accompanied by pauses in the phase windings of the motor and, as a result, by dips of the motor moment (jerks), which adversely affects the operation of the drive as a whole. In addition, with large inductive resistances of the stator windings (taking into account the thyristor recovery time), the electric motor operates with a low power factor, which does not allow achieving technical and economic indicators close to optimal.

Известно также устройство (2) для питания фазных обмоток синхронного электродвигателя, включающее в себя: источник регулируемого постоянного тока, к которому подключен коммутируемый нагрузкой трехфазный мостовой инвертор. В устройстве (2) используются источники вспомогательных ЭДС, подключенные к инвертору последовательно с фазными обмотками синхронного электродвигателя, а также датчики токов и напряжений и устройства управления инвертором и источниками вспомогательных ЭДС.It is also known a device (2) for supplying phase windings of a synchronous electric motor, including: a regulated DC source, to which a three-phase bridge inverter is connected, switched by a load. The device (2) uses auxiliary emf sources connected to the inverter in series with the phase windings of the synchronous electric motor, as well as current and voltage sensors and control devices for the inverter and auxiliary emf sources.

Источники вспомогательных ЭДС создают дополнительную составляющую обратного напряжения, приложенного к выключаемому тиристору, действующую во время и по окончании спада тока в выключаемом тиристоре до нулевого значения, т.е. во время восстановления его запирающих свойств. Такое решение позволяет несколько уменьшить угол опережения фазным током фазного напряжения электродвигателя, что улучшает использование электродвигателя.The sources of auxiliary EMF create an additional component of the reverse voltage applied to the turn-off thyristor, acting during and after the end of the current drop in the turn-off thyristor to zero, i.e. during restoration of its locking properties. This solution allows you to slightly reduce the lead angle of the phase current of the phase voltage of the electric motor, which improves the use of the electric motor.

Данное техническое решение является наиболее близким к заявляемому техническому решению по своей сущности и техническому результату.This technical solution is the closest to the claimed technical solution in its essence and technical result.

Вышеупомянутое техническое решение (2), а именно, предложенная в техническом решении (2) схемная реализация (см. U.S. Patent №4713743, FIG.6), имеет следующие недостатки, обусловливающие сравнительно низкие технико-экономические показатели и надежность работы электропривода в целом:The above technical solution (2), namely, the circuit implementation proposed in the technical solution (2) (see U.S. Patent No. 4713743, FIG.6), has the following disadvantages, which determine the relatively low technical and economic indicators and the reliability of the drive as a whole:

1. Так же, как и в техническом решении (1), не обеспечиваются благоприятные пусковые свойства привода, т.к. в начале разгона отсутствует ЭДС электродвигателя и, следовательно, отсутствуют напряжения вспомогательных источников фазных напряжений, участвующие в процессе коммутации тиристоров. Процесс пуска так же, как и в техническом решении (1), сопровождается паузами тока в фазных обмотках двигателя и, как следствие, провалами момента электродвигателя (толчками), что неблагоприятно отражается на работе привода в целом.1. As well as in the technical solution (1), favorable starting properties of the drive are not provided, because at the beginning of acceleration, there is no EMF of the electric motor and, therefore, there are no voltages of auxiliary sources of phase voltages involved in the process of switching thyristors. The start-up process, as in the technical solution (1), is accompanied by pauses in the phase windings of the motor and, as a result, by dips of the motor moment (shocks), which adversely affects the operation of the drive as a whole.

2. Техническое решение (2) характеризуется значительным количеством трансформаторного оборудования, причем каждый из трансформаторов имеет обмотки, гальванически связанные с фазными обмотками электродвигателя. В случае применения высоковольтного электродвигателя это предъявляет повышенные требования к изоляции упомянутых обмоток, что, в конечном счете, выливается в усложнение и удорожание применяемого оборудования.2. The technical solution (2) is characterized by a significant amount of transformer equipment, and each of the transformers has windings galvanically connected to the phase windings of the electric motor. In the case of the use of a high-voltage electric motor, this places increased demands on the insulation of the mentioned windings, which ultimately results in a complication and cost of the equipment used.

3. Применение насыщающихся трансформаторов ограниченной мощности в качестве вспомогательных источников фазных напряжений накладывает ряд ограничений на возможность их использования. Так, например, формирование импульса напряжения (ЭДС) во вторичной обмотке любого из насыщающихся трансформаторов ST (см. U.S. Patent №4713743, FIG.6), подключенных между фазами инвертора и соответствующими фазами обмотки электродвигателя, возможно только при близком к нулю значении тока соответствующей фазы электродвигателя, что сужает временной диапазон, в котором может быть использовано добавочное (вспомогательное) напряжение и, тем самым, существенно ограничивает возможность влияния на величину коэффициента мощности электродвигателя, т.е. ограничивает возможность оптимизации режимов его работы.3. The use of saturable transformers of limited power as auxiliary sources of phase voltages imposes a number of restrictions on the possibility of their use. So, for example, the formation of a voltage pulse (EMF) in the secondary winding of any of the saturable transformers ST (see US Patent No. 4713743, FIG.6) connected between the phases of the inverter and the corresponding phases of the motor winding, is possible only with a close to zero current value corresponding to phase of the motor, which narrows the time range in which additional (auxiliary) voltage can be used and, thereby, significantly limits the possibility of influencing the value of the power factor of the electric motor, i.e. limits the ability to optimize its modes of operation.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в обеспечении плавного (без толчков) пуска электродвигателя, начиная с нулевой скорости, обеспечения возможности совместной работы электродвигателя с питающими его инверторами в режимах, близких к оптимальным, за счет обеспечения возможности изменения угла сдвига между током и напряжением фаз электродвигателя от опережающего до отстающего, а также за счет обеспечения возможности приближения формы фазных токов электродвигателя к синусоиде.The problem to which the claimed technical solution is directed is to ensure a smooth (without jerks) start-up of the electric motor, starting at zero speed, to ensure that the electric motor can work together with the inverters supplying it in the regimes close to optimal, by providing the possibility of changing the shift angle between the current and voltage of the phases of the electric motor from leading to lagging, and also due to the possibility of approximating the shape of the phase currents of the electric motor to a sinusoid.

При решении поставленной задачи достигаемый технический результат заключается в повышении технико-экономических показателей привода в целом, увеличении ресурса работы электродвигателя и уменьшении затрат на текущее эксплуатационное обслуживание.When solving the problem, the technical result achieved is to increase the technical and economic indicators of the drive as a whole, increase the life of the electric motor and reduce the cost of ongoing maintenance.

В соответствии с первым вариантом предложенного технического решения указанная задача решается тем, что в известном высоковольтном преобразователе частоты для пуска и регулирования скорости мощного электродвигателя, имеющего одну или несколько трехфазных обмоток, включающем в себя: источник регулируемого постоянного In accordance with the first embodiment of the proposed technical solution, this problem is solved by the fact that in the known high-voltage frequency converter for starting and controlling the speed of a powerful electric motor having one or more three-phase windings, which includes: an adjustable constant source

тока; трехфазный мостовой коммутируемый нагрузкой инвертор, подключенный к упомянутому источнику и состоящий из шести одинаковых полууправляемых вентилей (например, тиристоров); источники вспомогательных ЭДС, подключенные к выводам переменного тока упомянутого инвертора последовательно с фазами трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя; датчики токов и напряжений и устройства управления инвертором и источниками вспомогательных ЭДС; при этом устройство управления инвертором включает в себя фазосмещающее устройство, блок задания угла опережения, выход которого соединен с одним входом фазосмещающего устройства и блок синхронизации относительно напряжений электродвигателя, включающий в себя преобразователь синхросигналов в последовательность опорных функций, выход которого соединен с другим входом фазосмещающего устройства,current; a three-phase bridge load-switched inverter connected to the mentioned source and consisting of six identical semi-controlled valves (for example, thyristors); auxiliary EMF sources connected to the alternating current terminals of said inverter in series with the phases of the three-phase winding of said electric motor; current and voltage sensors and control devices for the inverter and auxiliary emf sources; wherein the inverter control device includes a phase shifting device, an advancing angle setting unit, the output of which is connected to one input of the phase shifting device, and a synchronization unit with respect to electric motor voltages, including a clock converter into a sequence of reference functions, the output of which is connected to the other input of the phase shifting device,

согласно заявляемому техническому решению:according to the claimed technical solution:

- число упомянутых инверторов, равно числу трехфазных обмоток электродвигателя, причем инверторы подключены к источнику регулируемого постоянного тока последовательно;- the number of the mentioned inverters is equal to the number of three-phase windings of the electric motor, and the inverters are connected in series with the regulated DC source;

- каждый из источников вспомогательных ЭДС выполнен в виде коммутатора, состоящего из конденсатора и 4-х одинаковых полностью управляемых вентилей, обладающих обратной проводимостью, соединенных по схеме однофазного моста, имеющего два вывода переменного тока: первый вывод подключен к соответствующему выводу переменного тока соответствующего вышеупомянутого инвертора, второй вывод подключен к выводу соответствующей фазы соответствующей трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя и два вывода постоянного тока, к которым подключен упомянутый конденсатор, причем конденсатор не имеет подключений к внешним источникам или потребителям электрической энергии;- each of the sources of auxiliary EMF is made in the form of a switchboard, consisting of a capacitor and 4 identical fully controllable valves with reverse conductivity, connected according to a single-phase bridge circuit with two AC terminals: the first terminal is connected to the corresponding AC terminal of the corresponding inverter , the second terminal is connected to the terminal of the corresponding phase of the corresponding three-phase winding of said electric motor and two DC terminals to which are connected said capacitor is provided, the capacitor having no connections to external sources or consumers of electric energy;

- в устройства управления вентилями каждого коммутатора введены: фазосмещающее устройство коммутатора, первый и второй сумматоры, регулятор напряжения, - into the valve control devices of each switch are introduced: phase shifting device of the switch, the first and second adders, voltage regulator,

датчик напряжения соответствующего конденсатора, блок задания величины вспомогательной ЭДС; первый и второй входы первого сумматора соединены соответственно с выходом датчика напряжения конденсатора и с выходом блока задания величины вспомогательной ЭДС; выход первого сумматора соединен со входом регулятора напряжения; первый и второй входы второго сумматора соединены соответственно с выходом регулятора напряжения и с выходом блока задания угла опережения; выход второго сумматора соединен с одним входом фазосмещающего устройства коммутатора, другой вход которого соединен с выходом преобразователя синхросигналов в последовательность опорных функций.voltage sensor of the corresponding capacitor, unit for setting the magnitude of the auxiliary EMF; the first and second inputs of the first adder are connected respectively to the output of the capacitor voltage sensor and to the output of the auxiliary EMF value setting unit; the output of the first adder is connected to the input of the voltage regulator; the first and second inputs of the second adder are connected respectively to the output of the voltage regulator and to the output of the angle setting unit; the output of the second adder is connected to one input of the phase shifting device of the switch, the other input of which is connected to the output of the clock converter into a sequence of reference functions.

Кроме того, в устройства управления вентилями каждого коммутатора могут быть дополнительно введены блок задания тока и блок модуляции ширины импульсов управления вентилями коммутатора, а каждое фазосмещающее устройство коммутатора снабжено дополнительным входом, соединенным с выходом соответствующего блока модуляции ширины импульсов управления вентилями, один вход которого соединен с соответствующим датчиком тока фазы электродвигателя, а другой вход соединен с выходом блока задания тока.In addition, the current control unit and the pulse width modulation unit of the switch valves can be additionally introduced into the valve control devices of each switch, and each phase shifting device of the switch is equipped with an additional input connected to the output of the corresponding valve control pulse width modulation unit, one input of which is connected to a corresponding current sensor of the motor phase, and the other input is connected to the output of the current setting unit.

Кроме того, каждый из источников вспомогательных ЭДС может быть выполнен в виде коммутатора, состоящего из 2-х конденсаторов, 2-х диодов и 4-х одинаковых полностью управляемых вентилей, обладающих обратной проводимостью, соединенных по схеме трехуровнего однофазного модуля, имеющего два вывода переменного тока: первый вывод подключен к соответствующему выводу переменного тока соответствующего вышеупомянутого инвертора, второй вывод подключен к выводу соответствующей фазы соответствующей трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя, причем конденсаторы In addition, each of the sources of auxiliary EMF can be made in the form of a switchboard consisting of 2 capacitors, 2 diodes and 4 identical fully controllable valves with reverse conductivity, connected according to the scheme of a three-level single-phase module having two variable outputs current: the first terminal is connected to the corresponding alternating current terminal of the corresponding inverter mentioned above, the second terminal is connected to the corresponding phase terminal of the corresponding three-phase winding of said electric motor I, and capacitors

не имеют подключений к внешним источникам или потребителям электрической энергии.do not have connections to external sources or consumers of electric energy.

Кроме того, каждый из источников вспомогательных ЭДС может быть образован последовательным соединением двух или более коммутаторов, имеющих соответствующие, упомянутые выше, средства управления.In addition, each of the sources of auxiliary EMF can be formed by a serial connection of two or more switches having the corresponding control tools mentioned above.

В соответствии со вторым вариантом предложенного технического решения указанная задача решается тем, что в известном высоковольтном преобразователе частоты для пуска и регулирования скорости мощного электродвигателя, имеющего одну или несколько трехфазных обмоток, включающем в себя: источник регулируемого постоянного тока; трехфазный мостовой коммутируемый нагрузкой инвертор, подключенный к упомянутому источнику и состоящий из шести одинаковых полууправляемых вентилей (например, тиристоров); источники вспомогательных ЭДС, подключенные к выводам переменного тока упомянутого инвертора последовательно с фазами трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя; датчики токов и напряжений и устройства управления инвертором и источниками вспомогательных ЭДС; при этом устройство управления инвертором включает в себя фазосмещающее устройство, блок задания угла опережения, выход которого соединен с одним входом фазосмещающего устройства и блок синхронизации относительно напряжений электродвигателя, включающий в себя преобразователь синхросигналов в последовательность опорных функций, выход которого соединен с другим входом фазосмещающего устройства,In accordance with the second embodiment of the proposed technical solution, this problem is solved by the fact that in the known high-voltage frequency converter for starting and controlling the speed of a powerful electric motor having one or more three-phase windings, including: a regulated DC source; a three-phase bridge load-switched inverter connected to the mentioned source and consisting of six identical semi-controlled valves (for example, thyristors); auxiliary EMF sources connected to the alternating current terminals of said inverter in series with the phases of the three-phase winding of said electric motor; current and voltage sensors and control devices for the inverter and auxiliary emf sources; wherein the inverter control device includes a phase shifting device, an advancing angle setting unit, the output of which is connected to one input of the phase shifting device, and a synchronization unit with respect to electric motor voltages, including a clock converter into a sequence of reference functions, the output of which is connected to the other input of the phase shifting device,

- источники вспомогательных ЭДС выполнены в виде коммутаторов, число которых равно числу трехфазных обмоток упомянутого электродвигателя; каждый из коммутаторов состоит из конденсатора и 6-ти одинаковых полностью управляемых вентилей, обладающих обратной проводимостью, соединенных по схеме трехфазного моста, к двум выводам постоянного тока которого подключен упомянутый конденсатор; к первому, второму и третьему выводам переменного тока упомянутого трехфазного моста подключены соответственно концы первой, второй и третьей фаз соответствующей трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя, причем начала первой, второй и третьей фаз соответствующей трехфазной обмотки упомянутого электродвигателя подключены к соответствующим выводам переменного тока соответствующего инвертора;- sources of auxiliary EMF are made in the form of switches, the number of which is equal to the number of three-phase windings of the aforementioned electric motor; each of the switches consists of a capacitor and 6 identical fully controllable valves with reverse conductivity, connected according to a three-phase bridge circuit, to the two DC terminals of which the aforementioned capacitor is connected; the ends of the first, second and third phases of the corresponding three-phase winding of said electric motor are connected respectively to the first, second and third terminals of the alternating current of said three-phase bridge, and the beginnings of the first, second and third phases of the corresponding three-phase winding of said electric motor are connected to corresponding alternating current conclusions of the corresponding inverter;

- в устройства управления вентилями каждого коммутатора введены фазосмещающее устройство коммутатора, первый и второй сумматоры, регулятор напряжения, датчик напряжения соответствующего конденсатора, блок задания величины вспомогательной ЭДС; первый и второй входы первого сумматора соединены соответственно с выходом датчика напряжения конденсатора и с выходом блока задания величины вспомогательной ЭДС; выход первого сумматора соединен со входом регулятора напряжения; первый и второй входы второго сумматора соединены соответственно с выходом регулятора напряжения и с выходом блока задания угла опережения; выход второго сумматора соединен с одним входом фазосмещающего устройства коммутатора, другой вход которого соединен с выходом преобразователя синхросигналов в последовательность опорных функций.- the phase shifting device of the switch, the first and second adders, the voltage regulator, the voltage sensor of the corresponding capacitor, the unit for setting the magnitude of the auxiliary EMF are introduced into the valve control devices of each switch; the first and second inputs of the first adder are connected respectively to the output of the capacitor voltage sensor and to the output of the auxiliary EMF value setting unit; the output of the first adder is connected to the input of the voltage regulator; the first and second inputs of the second adder are connected respectively to the output of the voltage regulator and to the output of the angle setting unit; the output of the second adder is connected to one input of the phase shifting device of the switch, the other input of which is connected to the output of the clock converter into a sequence of reference functions.

На фиг.1 представлена структурная схема первого варианта заявляемого высоковольтного преобразователя, питающего мощный электродвигатель, имеющий несколько трехфазных обмоток.Figure 1 presents the structural diagram of the first embodiment of the inventive high-voltage Converter, powering a powerful electric motor having several three-phase windings.

На фиг.2 представлена схема первого варианта высоковольтного преобразователя с коммутаторами по схеме однофазного моста применительно к электродвигателю с одной трехфазной обмоткой.Figure 2 presents a diagram of the first variant of a high-voltage converter with switches according to the scheme of a single-phase bridge as applied to an electric motor with one three-phase winding.

На фиг.3 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие работу инвертора, коммутируемого нагрузкой.3 is a timing chart illustrating the operation of a load switched inverter.

На фиг.4, 5 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы первого варианта заявляемого технического решения.Figure 4, 5 presents time diagrams explaining the principle of operation of the first embodiment of the proposed technical solution.

На фиг.6 представлены схемы протекания контурных токов в процессе коммутации в устройстве, реализующем первый вариант предложенного технического решения.Figure 6 presents the flow diagram of the loop currents during the switching process in a device that implements the first version of the proposed technical solution.

На фиг.7, 8 представлены диаграммы, поясняющие порядок управления транзисторами коммутаторов для первого варианта высоковольтного преобразователя.7, 8 are diagrams explaining the control order of the transistors of the switches for the first variant of the high-voltage converter.

На фиг.9 представлена схема первого варианта высоковольтного преобразователя с коммутаторами по схеме однофазного моста применительно к электродвигателю с одной трехфазной обмоткой, позволяющая получить приближенную к синусоиде форму фазных токов электродвигателя.Fig. 9 shows a diagram of a first embodiment of a high-voltage converter with switches according to a single-phase bridge scheme as applied to an electric motor with one three-phase winding, which makes it possible to obtain a shape of the phase currents of the electric motor that is close to a sinusoid.

На фиг.10 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип управления коммутаторами, позволяющий получить приближенную к синусоиде форму фазных токов электродвигателя для первого варианта высоковольтного преобразователя.Figure 10 presents time diagrams explaining the principle of control of switches, allowing you to get close to the sinusoidal shape of the phase currents of the motor for the first version of the high voltage converter.

На фиг.11 представлены схема коммутатора в виде трехуровнего однофазного модуля, а также схема высоковольтного преобразователя с источниками вспомогательных ЭДС, образованными последовательным соединением двух коммутаторов.Figure 11 shows the circuit diagram of the switch in the form of a three-level single-phase module, as well as the circuit of a high-voltage converter with auxiliary emf sources formed by the serial connection of two switches.

На фиг.12 представлена схема устройства, реализующего второй вариант предложенного технического решения применительно к электродвигателю с одной трехфазной обмоткой.On Fig presents a diagram of a device that implements the second version of the proposed technical solution in relation to an electric motor with one three-phase winding.

На фиг.13 представлена схема устройства, реализующего второй вариант предложенного технического решения применительно к электродвигателю с несколькими трехфазными обмотками.On Fig presents a diagram of a device that implements the second version of the proposed technical solution in relation to an electric motor with several three-phase windings.

На фиг.14 представлены схемы протекания контурных токов в процессе коммутации в устройстве, реализующем второй вариант предложенного технического решения.On Fig presents a diagram of the flow of loop currents during the switching process in a device that implements the second version of the proposed technical solution.

На фиг.15 представлены временные диаграммы токов и напряжений в процессе коммутации в устройстве, реализующем второй вариант предложенного технического решения.On Fig presents time diagrams of currents and voltages during the switching process in a device that implements the second version of the proposed technical solution.

На фиг.16 представлены временные диаграммы токов и напряжений в устройстве, реализующем второй вариант предложенного технического решения.On Fig presents time diagrams of currents and voltages in a device that implements the second version of the proposed technical solution.

На фиг.17 представлены осциллограммы для первого варианта преобразователя частоты с тремя дополнительными источниками в фазах.On Fig presents the waveform for the first version of the frequency Converter with three additional sources in phases.

На фиг.18 представлены осциллограммы для второго варианта преобразователя частоты с трехфазным дополнительным источником напряжения.On Fig presents waveforms for the second variant of the frequency Converter with a three-phase additional voltage source.

Устройство заявляемого технического решения в его статическом состоянии описано по схемам и диаграммам на фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и фиг.11 - для первого варианта заявляемого высоковольтного преобразователя частоты и по схемам и диаграммам на фиг.12, 13, 14, 15, 16 - для его второго варианта.The device of the claimed technical solution in its static state is described according to the diagrams and diagrams in FIGS. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 and 11 - for the first embodiment of the claimed high-voltage frequency converter and according to the schemes and the diagrams in FIGS. 12, 13, 14, 15, 16 for its second embodiment.

В качестве дополнительного материала, иллюстрирующего работу первого и второго вариантов заявляемого устройства, на фиг.17 и 18 приведены результаты математического моделирования электропривода с заявляемым высоковольтным преобразователем на программном комплексе ЕЛТРАН.As additional material illustrating the operation of the first and second variants of the claimed device, Figs. 17 and 18 show the results of mathematical modeling of an electric drive with the claimed high-voltage converter on the ELTRAN software package.

На фиг.1 представлена структурная схема первого варианта заявляемого высоковольтного преобразователя частоты, питающего мощный электродвигатель, имеющий несколько трехфазных обмоток.Figure 1 presents the structural diagram of the first embodiment of the inventive high-voltage frequency converter, powering a powerful electric motor having several three-phase windings.

Высоковольтный преобразователь включает в себя источник 1 регулируемого постоянного тока, к которому последовательно подключены коммутируемые нагрузкой трехфазные тиристорные инверторы 2, коммутаторы 3 (источники вспомогательных ЭДС), подключенные к инверторам 2 последовательно с фазами трехфазных обмоток 4 электродвигателя 5, а также включает в себя датчики 6 фазных токов и датчик 7 напряжений электродвигателя 5. Кроме того, высоковольтный преобразователь включает в себя устройства 8 управления коммутаторами 3 и устройства 9 управления инверторами 2.The high-voltage converter includes a regulated constant current source 1, to which three-phase thyristor inverters 2, switches 3 (auxiliary emf sources), connected to the inverters 2 in series with the phases of the three-phase windings 4 of the electric motor 5, are connected in series with the sensors 6, and also includes sensors 6 phase currents and a voltage sensor 7 of the electric motor 5. In addition, the high-voltage converter includes control devices 8 of the switches 3 and control devices 9 and inverters 2.

На фиг.2 представлена схема высоковольтного преобразователя с коммутаторами 3 по схеме однофазного моста применительно к электродвигателю 5 с одной трехфазной обмоткой 4. Как ясно из фиг.1, в случае, когда электродвигатель 5 имеет не одну, а несколько трехфазных обмоток 4, схемные отличия от варианта на фиг.2 чисто количественные (соответственно числу трехфазных обмоток 4 увеличивается число инверторов 2, коммутаторов 3, датчиков 6, 7 и средств управления 8, 9).Figure 2 presents a diagram of a high-voltage converter with switches 3 according to a single-phase bridge with respect to an electric motor 5 with one three-phase winding 4. As is clear from figure 1, in the case when the electric motor 5 has not one but several three-phase windings 4, circuit differences from the variant of FIG. 2, purely quantitative (according to the number of three-phase windings 4, the number of inverters 2, switches 3, sensors 6, 7 and controls 8, 9 increases).

Силовая часть высоковольтного преобразователя (см. фиг.2) состоит из источника 1 регулируемого постоянного тока, к которому подключен коммутируемый нагрузкой трехфазный мостовой тиристорный инвертор 2, к фазным выходам которого последовательно с тремя фазами обмотки 4 электродвигателя 5 подключены три коммутатора 3, каждый из которых состоит из конденсатора 10 и 4-х IGВТ-транзисторов 11, 12, 13, 14, соединенных по схеме однофазного моста.The power part of the high-voltage converter (see Fig. 2) consists of a regulated DC source 1, to which a three-phase bridge thyristor inverter 2 is connected, switched by a load, three switches 3 are connected to the phase outputs of which are connected in series with the three phases of winding 4 of the electric motor 5, each of which 3 consists of a capacitor 10 and 4 IGVT transistors 11, 12, 13, 14 connected by a single-phase bridge circuit.

Управляющая часть высоковольтного преобразователя (см. фиг.2) состоит из трех устройств 8 управления тремя коммутаторами 3 и устройства 9 управления инвертором 2.The control part of the high-voltage converter (see figure 2) consists of three devices 8 for controlling three switches 3 and a device 9 for controlling the inverter 2.

Каждое устройство 8 управления коммутатором 3 состоит из фазосмещающего устройства 15, вырабатывающего импульсы включения и выключения IGВТ-транзисторов Each control device 8 of the switch 3 consists of a phase-shifting device 15 that generates pulses on and off IGVT transistors

11, 12, 13, 14, первого сумматора 16 и второго сумматора 17, регулятора 18 напряжения, датчика 19 напряжения соответствующего конденсатора 10 и блока 20 задания величины вспомогательной ЭДС.11, 12, 13, 14, the first adder 16 and the second adder 17, the voltage regulator 18, the voltage sensor 19 of the corresponding capacitor 10 and the auxiliary emf value setting unit 20.

Устройство 9 управления инвертором 2 состоит из фазосмещающего устройства 21, вырабатывающего импульсы включения тиристоров 22, 23, 24, 25, 26, 27 инвертора 2, блока 28 задания угла опережения и блока 29 синхронизации, включающего в себя преобразователь синхросигналов в последовательность опорных функций. Блок 29 синхронизации имеет в своем составе внутренний генератор импульсов, обеспечивающий формирование синхросигналов при пуске электродвигателя 5, когда величина ЭДС электродвигателя 5 недостаточна для формирования синхросигналов. Выходные сигналы блоков 28 и 29 используются также в качестве входных сигналов устройств 8 управления коммутаторами 3.The inverter 2 control device 9 consists of a phase-shifting device 21 that generates turn-on pulses of the thyristors 22, 23, 24, 25, 26, 27 of the inverter 2, the timing unit 28, and the synchronization unit 29, which includes a clock converter into a sequence of reference functions. The synchronization unit 29 includes an internal pulse generator, which provides the formation of clock signals when starting the electric motor 5, when the EMF value of the electric motor 5 is insufficient to generate the clock signals. The output signals of the blocks 28 and 29 are also used as input signals of the devices 8 control switches 3.

В устройстве 8 (управления коммутатором 3) первый и второй входы первого сумматора 16 соединены соответственно с выходом датчика 19 напряжения конденсатора 10 и с выходом блока 20 задания величины вспомогательной ЭДС; выход первого сумматора 16 соединен с входом регулятора 18 напряжения. Первый и второй входы второго сумматора 17 соединены соответственно с выходом регулятора 18 напряжения и с выходом блока 28 задания угла опережения; выход второго сумматора 17 соединен с одним входом фазосмещающего устройства 15, другой вход которого соединен с выходом преобразователя синхросигналов в последовательность опорных функций, входящего в состав блока 29 синхронизации. На фиг.2 фазосмещающее устройство 15 условно представлено в виде последовательно соединенных устройства сравнения и распределителя импульсов РИ.In the device 8 (control of the switch 3), the first and second inputs of the first adder 16 are connected respectively to the output of the capacitor 10 voltage sensor 19 and to the output of the auxiliary emf value setting unit 20; the output of the first adder 16 is connected to the input of the voltage regulator 18. The first and second inputs of the second adder 17 are connected respectively to the output of the voltage regulator 18 and to the output of the angle setting unit 28; the output of the second adder 17 is connected to one input of the phase-shifting device 15, the other input of which is connected to the output of the clock converter into a sequence of reference functions included in the synchronization unit 29. In Fig.2, the phase shifting device 15 is conventionally presented in the form of series-connected comparison devices and a pulse distributor RI.

В устройстве 9 (управления инвертором 2) один вход фазосмещающего устройства 21 соединен с выходом блока 28 задания угла опережения, другой вход фазосмещающего устройства 21 соединен с выходом преобразователя синхросигналов в последовательность опорных функций, входящего в состав блока 29 синхронизации. На фиг.2 фазосмещающее In the device 9 (control of the inverter 2), one input of the phase-shifting device 21 is connected to the output of the advancing angle block 28, and the other input of the phase-shifting device 21 is connected to the output of the clock converter into the sequence of reference functions included in the synchronization block 29. 2 phase shifting

устройство 21 также условно представлено в виде последовательно соединенных устройства сравнения и распределителя импульсов РИ.the device 21 is also conventionally presented in the form of series-connected comparison devices and a pulse distributor RI.

Назначение и принцип действия коммутаторов 3 пояснены при помощи фиг.2, 3, 4.The purpose and principle of operation of the switches 3 are explained using figure 2, 3, 4.

На фиг.3а изображены мгновенные значения (синусоиды) фазных Ua, Ub, Uc напряжений обмотки 4 электродвигателя 5 и основные ЭДС коммутации (ЭДС электродвигателя 5), обозначенные (-Uab), (-Ubc), (-Uca) поскольку знак этих ЭДС противоположен знаку линейных напряжений Uab, Ubc, UcaFigure 3a shows the instantaneous values (sinusoids) of the phase Ua, Ub, Uc of the voltage of the winding 4 of the electric motor 5 and the main switching EMF (EMF of the electric motor 5), indicated by (-Uab), (-Ubc), (-Uca) since the sign of these EMFs opposite to the sign of linear stresses Uab, Ubc, Uca

Известно, что в коммутируемых нагрузкой инверторах циклически осуществляемая коммутация тока между фазами инвертора происходит в контуре коммутации, образованном двумя фазами трехфазной обмотки электродвигателя и двумя тиристорами соответствующих фаз инвертора, под действием разности ЭДС фаз электродвигателя (ЭДС коммутации).It is known that in load-switched inverters, cyclic switching of current between the phases of the inverter occurs in the switching circuit formed by two phases of a three-phase winding of the electric motor and two thyristors of the corresponding phases of the inverter, under the influence of the difference between the EMF of the phases of the electric motor (EMF switching).

В ходе процесса коммутации один из тиристоров является отключаемым - ток, протекающий через него, спадает под действием ЭДС коммутации в течение периода времени, называемого интервалом коммутации (в угловом выражении - угол коммутации), а другой тиристор является включаемым - ток, протекающий через него, нарастает в течение того же интервала коммутации. На включаемый тиристор импульс управления подается в интервале времени, когда направление ЭДС коммутации противоположно направлению тока, протекающего через отключаемый тиристор. При этом момент подачи импульса управления на включаемый тиристор опережает момент последующего перехода ЭДС коммутации через нулевое значение на интервал времени (в угловом выражении - на угол опережения), равный сумме интервала коммутации (угол коммутации) и интервала запаса (угол запаса), который должен быть не менее времени восстановления запирающих (блокирующих) свойств отключаемого тиристора.During the switching process, one of the thyristors is switched off - the current flowing through it drops under the action of the EMF switching during a period of time called the switching interval (in angle terms - the switching angle), and the other thyristor is turned on - the current flowing through it, increases during the same switching interval. A control pulse is applied to the thyristor to be switched on in the time interval when the direction of the emf of the switching is opposite to the direction of the current flowing through the disconnected thyristor. At the same time, the moment of supply of the control pulse to the thyristor to be switched is ahead of the moment of the subsequent transition of the EMF switching through zero to the time interval (in angular terms - to the lead angle), equal to the sum of the switching interval (switching angle) and the reserve interval (reserve angle), which should be at least the recovery time of the locking (blocking) properties of the disconnected thyristor.

В качестве примера рассмотрим (см. фиг.2, фиг.3) процесс коммутации тока между тиристором 25 фазы А (отключаемый тиристор) и тиристором 26 фазы В (включаемый As an example, we consider (see figure 2, figure 3) the process of switching current between the thyristor 25 phase A (switchable thyristor) and the thyristor 26 phase B (switchable

тиристор) инвертора 2 в контуре коммутации, куда входят также фаза А и фаза В обмотки 4 электродвигателя 5. В ходе рассмотрения считаем, что, коммутаторы 3, расположенные в фазах А и В, не влияют на протекание тока в контуре, т.е. например, в обоих коммутаторах 3 в фазах А и В открыта пара транзисторов 11 и 14 (или 12 и 13).thyristor) of inverter 2 in the switching circuit, which also includes phase A and phase B of winding 4 of electric motor 5. In the course of consideration, we assume that the switches 3 located in phases A and B do not affect the current flow in the circuit, i.e. for example, in both switches 3 in phases A and B, a pair of transistors 11 and 14 (or 12 and 13) is open.

На фиг.3б представлены кривые мгновенных значений токов в фазах А, В и С: ia, ib, ic. Там же обозначены номера тиристоров инвертора 2, проводящих соответствующие токи. За начало отсчета текущего угла θ=ωt принята точка пересечения основной ЭДС коммутации (-Uab) с осью абсцисс. На фиг.3б также обозначены:On figb presents the curves of the instantaneous values of the currents in phases a, b and C: ia, ib, ic. The numbers of the thyristors of the inverter 2 conducting the corresponding currents are also indicated there. For the reference point of the current angle θ = ωt, the intersection point of the main switching EMF (-Uab) with the abscissa axis is taken. On figb also indicated:

- угол опережения (-β),- lead angle (-β),

- угол (-ν), при котором ток ia в тиристоре 25 становится равным нулю,- the angle (-ν) at which the current ia in the thyristor 25 becomes equal to zero,

- угол запаса δ=0-(-ν),- reserve angle δ = 0 - (- ν),

- угол коммутации γ=β-ν=β-δ, в течение которого ток ia в тиристоре 25 спадает до нуля, одновременно ток ib в тиристоре 26 возрастает от нуля до максимума,- the switching angle γ = β-ν = β-δ, during which the current ia in the thyristor 25 drops to zero, while the current ib in the thyristor 26 increases from zero to a maximum,

- ia1 - первая гармоника тока ia,- ia1 - the first harmonic of the current ia,

- для фазы А: угол сдвига φ между фазным напряжением и первой гармоникой фазного тока (Ua и ia1).- for phase A: the shift angle φ between the phase voltage and the first harmonic of the phase current (Ua and ia1).

Для дальнейшего изложения следует отметить, что обычно углы β, γ и δ определяются при проектировании привода, причем угол γ определяется расчетом процесса коммутации, исходя из значений параметров контура коммутации, (значения углов β и γ могут корректироваться системой управления электроприводом в зависимости от режима работы).For further discussion, it should be noted that the angles β, γ and δ are usually determined during the design of the drive, and the angle γ is determined by the calculation of the switching process based on the values of the switching circuit parameters (the values of the angles β and γ can be adjusted by the drive control system depending on the operating mode )

Из фиг.3б видно, что вследствие необходимости введения угла опережения, угол сдвига φ получается отрицательным (фазные токи электродвигателя 5 опережают фазные напряжения). В реальном электроприводе значение этого угла обычно составляет около 30 эл. град., вследствие чего электродвигатель работает с коэффициентом мощности, существенно меньшим единицы. Это приводит к ухудшению технико-экономических показателей электропривода.From Fig.3b it is seen that due to the need to introduce an advance angle, the shear angle φ is negative (the phase currents of the electric motor 5 are ahead of the phase voltages). In a real electric drive, the value of this angle is usually about 30 el. hail., as a result of which the electric motor operates with a power factor substantially less than unity. This leads to a deterioration of the technical and economic indicators of the electric drive.

В соответствии с заявляемым техническим решением, существенно уменьшить угол опережения, а, следовательно, увеличить коэффициент мощности и улучшить технико-экономические показатели электропривода, можно, вводя в цепь обмотки 4 электродвигателя 5 коммутаторы 3. Предварительно заряженный током нагрузки до необходимого напряжения Е, обусловленного расчетом параметров коммутации и желаемого угла φ, конденсатор 10 каждого из коммутаторов 3 представляет собой вспомогательную ЭДС, направление действия которой в контуре коммутации задается включением соответствующих транзисторов коммутатора. Переключая на время коммутации соответствующим образом транзисторы 11...14, включают конденсаторы 10, расположенные в двух фазах, входящих в контур коммутации, таким образом, чтобы их напряжения усиливали действие основной ЭДС коммутации (согласное включение). Это приводит к задержке момента перехода через ноль результирующей ЭДС коммутации относительно момента перехода через ноль основной ЭДС коммутации (т.е. без добавленных вспомогательных ЭДС), что позволяет соответственно задержать момент начала выключения отключаемого тиристора, т.е. уменьшить угол опережения β. Кроме того, увеличенное значение результирующей ЭДС коммутации (основная ЭДС коммутации плюс два напряжения конденсаторов 10) способствует ускорению процесса спадания тока в отключаемом тиристоре (одновременно способствуя нарастанию тока во включаемом тиристоре), т.е. уменьшению угла коммутации γ и, следовательно, дополнительному уменьшению угла опережения β.In accordance with the claimed technical solution, it is possible to significantly reduce the lead angle, and therefore increase the power factor and improve the technical and economic performance of the electric drive, by introducing switches 3 into the winding circuit 4 of the electric motor 5. It is precharged by the load current to the required voltage E, due to the calculation switching parameters and the desired angle φ, the capacitor 10 of each of the switches 3 is an auxiliary EMF, the direction of action of which in the switching circuit is set in switching on the corresponding transistors of the switch. Switching the transistors 11 ... 14 accordingly to the switching time, turn on the capacitors 10 located in two phases included in the switching circuit, so that their voltages enhance the action of the main emf of the switching (consonant inclusion). This leads to a delay in the moment of transition through zero of the resulting EMF of switching relative to the moment of transition through zero of the main EMF of switching (i.e., without added auxiliary EMF), which accordingly allows delaying the start time of turning off the disconnected thyristor, i.e. reduce lead angle β. In addition, the increased value of the resulting EMF switching (main EMF switching plus two capacitor voltages 10) helps to accelerate the current decay process in the switched-off thyristor (while simultaneously contributing to the increase in current in the switched-on thyristor), i.e. a decrease in the switching angle γ and, therefore, an additional decrease in the lead angle β.

В качестве примера рассмотрим (см. фиг.2, фиг.4) процесс коммутации тока между тиристором 25 фазы А (отключаемый тиристор) и тиристором 26 фазы В (включаемый тиристор) инвертора 2 в контуре коммутации, куда входят также фаза А и фаза В обмотки 4 электродвигателя 5 и коммутаторы 3, расположенные в фазах А и В.As an example, consider (see FIG. 2, FIG. 4) the current switching process between a phase A thyristor 25 (turn-off thyristor) and phase B thyristor 26 (turn-on thyristor) of inverter 2 in the switching circuit, which also includes phase A and phase B windings 4 of electric motor 5 and switches 3 located in phases A and B.

На фиг.4 представлены несколько упрощенные временные диаграммы, иллюстрирующие принципиальную сущность заявляемого технического решения. На фиг.4а показаны фазные напряжения Ua, Ub и Uc, а также кривые, полученные сложением основных ЭДС коммутации (-Uab, -Ubc и -Uca) - на фиг.4а они обозначены штриховыми линиями - с вспомогательными ЭДС в фазах А, В и С: Еа, Еb и Ec. Результирующие ЭДС коммутации, равные (-Uab+Еа-Еb), (-Ubc+Еb-Еc) и (-Uca+Еc-Еа) показаны сплошными линиями. Вид вспомогательных ЭДС в фазах А, В и С: Еа, Еb и Ec - представлен на фиг.4б.Figure 4 presents several simplified time diagrams illustrating the fundamental nature of the proposed technical solution. On figa shows the phase voltage Ua, Ub and Uc, as well as the curves obtained by adding the main EMF switching (-Uab, -Ubc and -Uca) - in figa they are indicated by dashed lines - with auxiliary EMF in phases A, B and C: Ea, Eb and Ec. The resulting EMF switching equal to (-Uab + Еа-Еb), (-Ubc + Еb-Ес) and (-Uca + Ес-Еа) are shown by solid lines. View auxiliary EMF in phases A, B and C: Ea, Eb and Ec - shown in figb.

Условимся, что конденсатор 10 каждого коммутатора 3 на фиг.2 заряжен так, что его «плюс» на верхней обкладке, а его «минус» - на нижней обкладке. Тогда при вышеупомянутой коммутации тиристоров 25-26 для обеспечения согласного действия основной ЭДС коммутации (-Uab) и вспомогательных ЭДС в фазах А и В: Еа и Еb необходимо (см. фиг.2) выключить все транзисторы 11...14 коммутатора 3 в фазе А и включить транзисторы 11 и 13 коммутатора 3 в фазе В.We agree that the capacitor 10 of each switch 3 in FIG. 2 is charged so that its “plus” on the upper lining, and its “minus” on the lower lining. Then, with the aforementioned switching of thyristors 25-26, to ensure the consistent action of the main EMF switching (-Uab) and auxiliary EMF in phases A and B: Еа and Еb, it is necessary (see Fig. 2) to turn off all transistors 11 ... 14 of switch 3 in phase A and turn on transistors 11 and 13 of switch 3 in phase B.

На фиг.4в представлены кривые мгновенных значений фазных токов ia, ib, ic, построенные с учетом действия результирующих ЭДС коммутации, а также ia1 - первая гармоника тока ia. Из фиг.4в видно, что при принятых условных соотношениях между (-Uab), Еа и Еb угол сдвига φ между фазным напряжением и первой гармоникой фазного Figure 4c shows the curves of the instantaneous values of the phase currents ia, ib, ic, constructed taking into account the action of the resulting emf switching, and ia1 is the first harmonic of the current ia. It is seen from Fig. 4c that, with the accepted conditional relations between (-Uab), Еа and Еb, the shift angle φ between the phase voltage and the first harmonic of the phase

тока Ua и ia1 получился положительным, что на качественном уровне свидетельствует об эффективности предложенного технического решения.the current Ua and ia1 turned out to be positive, which at a qualitative level indicates the effectiveness of the proposed technical solution.

Влияние вспомогательных ЭДС на процесс коммутации поясняется на фиг.4г, где показаны три варианта, отличающиеся величиной результирующей ЭДС коммутации. На диаграммах изображены:The effect of auxiliary EMF on the switching process is illustrated in Fig.4g, which shows three options that differ in the value of the resulting EMF switching. The diagrams show:

- одно из фазных напряжений, например, Ua,- one of the phase voltages, for example, Ua,

- отрезок результирующей ЭДС коммутации вблизи точки перехода через ноль, например на левой диаграмме - (-Uab), на средней - (-Uab+Ea), на правой - (-Uab+Ea-Еb)- a segment of the resulting EMF switching near the zero crossing point, for example, on the left diagram - (-Uab), on the middle diagram (-Uab + Ea), on the right diagram (-Uab + Ea-Еb)

- часть кривой фазного тока отключаемой фазы, например ia,- part of the phase current curve of the phase to be switched off, for example ia,

- угол запаса - δ,- reserve angle - δ,

- угол опережения - β,- lead angle - β,

- первая гармоника тока, например ia1,- the first harmonic of the current, for example ia1,

- угол сдвига φ между фазным напряжением и первой гармоникой фазного тока; на левой диаграмме φ1, на средней - φ2, на правой - φ3.- shift angle φ between the phase voltage and the first harmonic of the phase current; φ1 in the left diagram, φ2 in the middle diagram, and φ3 in the right diagram.

На фиг.4г заметно влияние увеличения ЭДС коммутации на величину угла β (β1>β2>β3). Увеличение ЭДС коммутации происходит за счет добавления к основной ЭДС коммутации (-Uab) напряжения конденсатора 10 (Ea) или напряжения двух конденсаторов 10 (Ea+Еb).On fig.4d noticeable effect of increasing the EMF switching on the angle β (β1> β2> β3). An increase in the EMF switching occurs due to the addition of the voltage of the capacitor 10 (Ea) or the voltage of two capacitors 10 (Ea + Еb) to the main EMF switching (-Uab).

На правой диаграмме фиг.4г видно, что коммутация тока обеспечивается при близком к нулю значении основной ЭДС коммутации, т.е. практически только за счет действия напряжений конденсаторов 10 коммутаторов 3. Это подтверждает эффективность заявляемого технического решения при пуске и разгоне электродвигателя 5.On the right diagram of Fig. 4d, it is seen that the current switching is provided at a value close to zero of the main emf of the switching, i.e. almost exclusively due to the action of the voltages of the capacitors 10 of the switches 3. This confirms the effectiveness of the proposed technical solution for starting and accelerating the electric motor 5.

В соответствии с предлагаемым техническим решением (см. фиг.4б), схема коммутатора 3 и устройство 8 управления коммутатором 3 выполнены так, чтобы:In accordance with the proposed technical solution (see fig. 4b), the circuit of the switch 3 and the control device 8 of the switch 3 are made so that:

- на интервале времени, включающем в себя две следующие одна за другой коммутации тока какой-либо фазы инвертора 2 напряжение конденсатора 10 при первой коммутации было противоположно направлению тока фазы (конденсатор заряжается), а при второй коммутации совпадало с током (конденсатор разряжается). Заряд и разряд конденсатора 10 происходят без его связи с какими-либо вспомогательными источниками подвода или стока (отбора) энергии,- in a time interval that includes two successive switching currents of any phase of the inverter 2, the voltage of the capacitor 10 at the first switching was opposite to the direction of the phase current (the capacitor is charging), and at the second switching it coincides with the current (the capacitor is discharging). The charge and discharge of the capacitor 10 occur without its connection with any auxiliary sources of supply or drain (selection) of energy,

- обеспечивалось равенство заряда полученного конденсатором 10 при первой из двух упомянутых коммутаций и отданного им при второй коммутации, т.е чтобы напряжение конденсатора 10 поддерживалось практически постоянным за счет описанного ниже алгоритма управления транзисторами 11...14 коммутатора 3. Этой же цели служит выбор достаточно большой емкости конденсатора 10 (на основании расчета, с учетом допустимого понижения напряжения конденсатора за время одной коммутации).- the equality of the charge received by the capacitor 10 during the first of the two mentioned commutations and given to it during the second commutation was ensured, that is, the voltage of the capacitor 10 was kept almost constant due to the control algorithm for transistors 11 ... 14 of switch 3 described below. The choice is made a sufficiently large capacitor 10 (based on the calculation, taking into account the permissible lowering of the capacitor voltage during one switching).

Алгоритм управления коммутаторами 3 описан на примере двух следующих одна за другой коммутаций тока фазы А:The control algorithm for the switches 3 is described by the example of two following one after another switching currents of phase A:

- коммутация тиристоров 25 (отключаемый тиристор, фаза А) и 26 (включаемый тиристор, фаза В),- switching of thyristors 25 (switchable thyristor, phase A) and 26 (switchable thyristor, phase B),

- коммутация тиристоров 24 (отключаемый тиристор, фаза С) и 22 (включаемый тиристор, фаза А),- switching thyristors 24 (switch-off thyristor, phase C) and 22 (switch-on thyristor, phase A),

и проиллюстрирован диаграммами токов и напряжений на фиг.5а, б, в.and is illustrated by diagrams of currents and voltages in figa, b, c.

При первой коммутации тиристоров 25 и 26 одновременным включением двух коммутаторов 3 в фазах А и В в контур коммутации вводят два напряжения конденсаторов At the first switching of thyristors 25 and 26 by simultaneously turning on two switches 3 in phases A and B, two capacitor voltages are introduced into the switching circuit

10, действующие согласно с основной ЭДС коммутации (-Uab). При второй коммутации тиристоров 24 и 22 одновременным включением двух коммутаторов 3 в фазах А и С в контур коммутации вводят два напряжения конденсаторов 10, действующие согласно с основной ЭДС коммутации (-Uca).10, acting in accordance with the main emf switching (-Uab). During the second switching of thyristors 24 and 22 by simultaneously switching on two switches 3 in phases A and C, two capacitor voltages 10 are introduced into the switching circuit, acting in accordance with the main switching emf (-Uca).

На фиг.5а представлены участки кривых результирующих ЭДС коммутации, полученных сложением основных ЭДС коммутации (для первой коммутации - (-Uab) и (-Uca) - для второй коммутации) с напряжениями Е конденсаторов 10. На фиг.5б изображен вид вспомогательных ЭДС в фазах А, В и С: Еа, Еb и Еc для рассматриваемой части периода. На фиг.5в представлены кривые токов ia и ib, а также -ia и -ic совмещенные на одной диаграмме. За начало отсчета текущего угла θ=ωt принята точка пересечения основной ЭДС коммутации (-Uab) с осью абсцисс.On figa presents sections of the curves of the resulting EMF switching obtained by adding the main EMF switching (for the first switching - (-Uab) and (-Uca) for the second switching) with voltages E of the capacitors 10. Fig.5b shows a view of the auxiliary EMF in phases A, B and C: Ea, Eb and Ec for the considered part of the period. On figv presents the curves of the currents ia and ib, as well as -ia and -ic combined in one diagram. For the reference point of the current angle θ = ωt, the intersection point of the main switching EMF (-Uab) with the abscissa axis is taken.

Начало первой коммутации задается подачей управляющего потенциала на тиристор 26 (фаза В) для момента времени, которому соответствует угол θ=(-β) (см. фиг 5в). Включение тиристора 26 приводит к образованию контура коммутации, в котором напряжения Е конденсаторов 10 в фазах А и В добавляются к основной ЭДС коммутации (-Uab), ускоряя процессы спада тока в тиристоре 25 (фаза А) и нарастания тока в тиристоре 26. Ток ia спадает до нуля на интервале (-β)...ν, равном углу коммутации γ=ν-(-β)=ν+β. Конденсатор 10 в фазе А при этом заряжается.The beginning of the first switching is set by applying the control potential to the thyristor 26 (phase B) for the time moment to which the angle θ = (- β) corresponds (see Fig. 5c). Turning on the thyristor 26 leads to the formation of a switching circuit in which the voltages E of the capacitors 10 in phases A and B are added to the main emf of the switching (-Uab), accelerating the processes of current decay in thyristor 25 (phase A) and increase in current in thyristor 26. Current ia decreases to zero on the interval (-β) ... ν equal to the angle of commutation γ = ν - (- β) = ν + β. The capacitor 10 in phase A is being charged.

При θ=π/3-β подачей управляющего потенциала на тиристор 22 (фаза А) начинается вторая коммутация - выключение тиристора 24 (фаза С) под действием основной ЭДС коммутации (-Uca) и напряжений Е конденсаторов 10 в фазах А и С, действующих At θ = π / 3-β, the second switching starts by applying a control potential to thyristor 22 (phase A) - turning off thyristor 24 (phase C) under the action of the main switching emf (-Uca) and voltages E of capacitors 10 in phases A and C acting

согласно с основной ЭДС коммутации. На интервале (π/3-β)...(π/3+ν) конденсатор 10 в фазе А разряжается.according to the main EMF switching. On the interval (π / 3-β) ... (π / 3 + ν), the capacitor 10 in phase A is discharged.

Как показано на фиг.5, момент отключения конденсатора 10 фазы А совпадает с концом интервала запаса отключаемого тиристора 25, что соответствует углу θ=ν+δ. (Аналогично момент отключения конденсатора 10 фазы С совпадает с концом интервала запаса отключаемого тиристора 24). Момент отключения конденсатора 10, т.е. значение угла (ν+δ)=γ-β+δ, однозначно определяется системой управления электроприводом. Достижение током отключаемой фазы нулевого уровня может определяться непосредственным измерением тока или вычисляться блоком-вычислителем системы управления электроприводом, исходя из того, что значения напряжения Е конденсатора 10 и углов β и γ определяются при проектировании привода (значения углов β и γ могут корректироваться системой управления электроприводом в зависимости от режима работы).As shown in FIG. 5, the turn-off time of the phase A capacitor 10 coincides with the end of the supply interval of the switch-off thyristor 25, which corresponds to the angle θ = ν + δ. (Similarly, the turn-off time of the phase C capacitor 10 coincides with the end of the supply interval of the disconnected thyristor 24). The moment of shutdown of the capacitor 10, i.e. angle value (ν + δ) = γ-β + δ, is uniquely determined by the drive control system. The achievement by the current of the switched off phase of the zero level can be determined by direct measurement of the current or calculated by the calculating unit of the drive control system, based on the fact that the voltage values E of the capacitor 10 and the angles β and γ are determined during the design of the drive (the values of the angles β and γ can be adjusted by the drive control system depending on the operating mode).

Из фиг.5 по характеру кривых токов коммутации при первой коммутации (спадающая экспонента) и при второй коммутации (нарастающая экспонента) видно, что если интервалы заряда и разряда будут одинаковы, то заряд, полученный конденсатором 10, будет меньше заряда отданного конденсатором 10, что приведет к нежелательному уменьшению напряжения конденсатора 10 после второй коммутации в сравнении с напряжением Е на этом же конденсаторе до первой коммутации.From figure 5, the nature of the curves of the switching currents during the first switching (decreasing exponent) and during the second switching (increasing exponent) shows that if the charge and discharge intervals are the same, then the charge received by the capacitor 10 will be less than the charge given by the capacitor 10, which will lead to an undesirable decrease in the voltage of the capacitor 10 after the second switching in comparison with the voltage E on the same capacitor before the first switching.

В соответствии с предлагаемым техническим решением, с целью поддержания требуемого уровня напряжения Е конденсатора 10, устройство 8 управления коммутатором 3 обеспечивает подзаряд конденсатора 10 током фазы на интервале (-β -ε)...(-β) до начала первой коммутации (см. фиг.5). Для этого в устройстве 8 реализована цепь коррекции (см. фиг.2). Она включает в себя блок 20 задания требуемого уровня напряжения Е конденсатора 10, датчик 19, измеряющий фактическое значение напряжения конденсатора In accordance with the proposed technical solution, in order to maintain the required voltage level E of the capacitor 10, the control device 8 of the switch 3 provides charging the capacitor 10 with a phase current in the interval (-β -ε) ... (- β) before the first switching (see figure 5). For this, a correction circuit is implemented in device 8 (see FIG. 2). It includes a unit 20 for setting the required voltage level E of the capacitor 10, a sensor 19, which measures the actual value of the voltage of the capacitor

10, сумматор 16, вычисляющий рассогласование, поступающее на вход регулятора 18, выходной сигнал которого пропорционален требуемому значению угла ε. В сумматоре 17 происходит сложение сигналов, пропорциональных углам β и ε, и результирующий сигнал поступает на вход фазосмещающего устройства 15, управляющего включением транзисторов 11, 12, 13, 14. Регулятор 18 может быть аналоговым или микропроцессорным.10, the adder 16, calculating the mismatch input to the controller 18, the output signal of which is proportional to the desired value of the angle ε. In the adder 17, the signals proportional to the angles β and ε are added, and the resulting signal is input to the phase shifting device 15, which controls the inclusion of transistors 11, 12, 13, 14. The controller 18 can be analog or microprocessor.

Смещение переднего фронта Еа и Еc показано на фиг.5а, б заштрихованным участком. На фиг.7 также отмечено смещение на угол ε переднего фронта напряжений Еа, Еb и Еc.The displacement of the leading edge of Ea and Ec is shown in figa, b shaded area. In Fig.7 also noted the offset by the angle ε of the leading edge of the stresses Ea, Eb and Ec.

Работа заявляемого устройства описана с использованием фиг.2, 4, 5, 6, 7. Работа устройства 9 управления инвертором 2 происходит так же, как в других приводах с инвертором, коммутируемым нагрузкой. Фазосмещающее устройство 21, при помощи логического автомата (или программным способом) совместно обрабатывает входные сигналы от блока 28 задания угла опережения β и блока 29 синхронизации и распределяет в определенном порядке импульсы включения тиристоров 22...27.The operation of the claimed device is described using FIGS. 2, 4, 5, 6, 7. The operation of the control device 9 of the inverter 2 occurs in the same way as in other drives with an inverter, a switched load. The phase shifting device 21, using a logical machine (or programmatically) together processes the input signals from block 28 for setting the lead angle β and block 29 for synchronization and distributes in a certain order the switching pulses of thyristors 22 ... 27.

Каждое из устройств 8 управления коммутаторами 3 по добным же образом, т.е. совместной обработкой входных сигналов от блока 28 задания угла опережения и сигнала от блока 29 синхронизации при помощи логического автомата (или программным способом) формирует управляющие импульсы транзисторов 11...14, для выключения конденсатора 10 из цепи протекания фазного тока по окончании коммутации (при θ=ν+δ, см. фиг.5).Each of the devices 8 for managing the switches 3 in the same way, i.e. by jointly processing the input signals from the unit 28 to set the lead angle and the signal from the synchronization unit 29 using a logic machine (or programmatically) generates control pulses of transistors 11 ... 14 to turn off the capacitor 10 from the phase current flow circuit at the end of switching (at θ = ν + δ, see Fig. 5).

Включение конденсатора 10 в цепь протекания фазного тока происходит, как уже отмечалось выше, с использованием цепи коррекции (см. фиг.2). Рассогласование между измеренным (датчиком 19) и заданным значениями напряжения Е конденсатора 10 с выхода сумматора 16, поступает на вход регулятора 18, выходной сигнал которого пропорционален The inclusion of the capacitor 10 in the phase current flow circuit occurs, as already noted above, using the correction circuit (see figure 2). The mismatch between the measured (sensor 19) and the specified voltage value E of the capacitor 10 from the output of the adder 16, is fed to the input of the controller 18, the output signal of which is proportional

требуемому значению угла ε. В сумматоре 17 сигналы, пропорциональные углам β и ε, суммируются. Сумматор 17 своим выходным сигналом воздействует на один из входов фазосмещающего устройства 15, на другой вход которого поступает сигнал от блока 29 синхронизации. В результате совместной обработки упомянутых сигналов фазосмещающее устройство 15 формирует управляющие импульсы транзисторов 11...14, обеспечивающие включение конденсатора 10 в цепь протекания фазного тока до начала коммутации (при θ=β+ε, см. фиг.5) и его подзаряд.required angle ε. In adder 17, signals proportional to angles β and ε are summed. The adder 17 with its output signal acts on one of the inputs of the phase shifting device 15, the other input of which receives a signal from the block 29 synchronization. As a result of the joint processing of the mentioned signals, the phase-shifting device 15 generates control pulses of the transistors 11 ... 14, ensuring the inclusion of the capacitor 10 in the phase current flow circuit before switching (at θ = β + ε, see Fig. 5) and its recharge.

Порядок управления транзисторами 11, 12, 13, 14 коммутаторов 3 может быть пояснен на примере двух следующих одна за другой коммутаций тока фазы А:The control order of the transistors 11, 12, 13, 14 of the switches 3 can be explained on the example of two following one after another switching currents of phase A:

- коммутация тиристоров 25 (отключаемый тиристор, фаза А) и 26 (включаемый тиристор, фаза В), (фиг.6),- switching thyristors 25 (switchable thyristor, phase A) and 26 (switchable thyristor, phase B), (Fig.6),

- коммутация тиристоров 24 (отключаемый тиристор, фаза С) и 22 (включаемый тиристор, фаза А)- switching of thyristors 24 (switchable thyristor, phase C) and 22 (switchable thyristor, phase A)

и проиллюстрирован схемами протекания контурных токов в процессе коммутации по цепи: инвертор 2 - коммутаторы 3 - электродвигатель 5, представленными на фиг.6, а также временными диаграммами токов и напряжений на фиг.4 и 5.and is illustrated by the circuits of the flow of loop currents during the circuit switching: inverter 2 - switches 3 - electric motor 5, shown in Fig.6, as well as timing diagrams of currents and voltages in Figures 4 and 5.

На фиг.6а сплошной линией показан путь протекания тока до начала подзаряда конденсатора 10 фазы А. В коммутаторе 3 фазы А включен транзистор 13 и ток проходит через обратный диод транзистора 12 и включенный транзистор 13. В коммутаторе 3 фазы С включен транзистор 12 и ток проходит через обратный диод транзистора 13 и включенный транзистор 12. (Вместо транзистора 13 в фазе А может быть включен транзистор 11, а в фазе С вместо транзистора 12 может быть включен транзистор 14. Этот вариант включения транзисторов равноценен предыдущему и на практике может использоваться для обеспечения равномерной загрузки транзисторов коммутатора.).6a, the solid line shows the path of the current flow until the charge of the phase A capacitor 10 is started. In the switch 3 of the phase A, the transistor 13 is turned on and the current passes through the reverse diode of the transistor 12 and the transistor 13 is turned on. In the switch 3 of the phase C, the transistor 12 is turned on and the current passes through the reverse diode of the transistor 13 and the turned on transistor 12. (Instead of the transistor 13 in phase A, transistor 11 can be turned on, and in phase C, instead of transistor 12, transistor 14 can be turned on. This option to turn on transistors is equivalent to the previous one and, in practice, can use be used to ensure uniform loading of the transistors of the switch.).

Перед первой из двух вышеупомянутых коммутаций (с фазы А на фазу В), в момент времени, соответствующий углу (-β -ε) (см. фиг.5), фазосмещающее устройство 15 фазы А выключает транзистор 13 (или 11), что приводит к включению конденсатора 10 в фазе А с полярностью, противоположной току фазы А. Начинается подзаряд конденсатора 10 фазы А. Путь тока подзаряда (показан штриховой линией на фиг.6а): обратный диод транзистора 12 - «плюс» конденсатора 10 - «минус» конденсатора 10 - обратный диод транзистора 14. На интервале (-β -ε)...(-β) конденсатор 10 заряжается полным током фазы А (подзаряжается).Before the first of the two aforementioned switching (from phase A to phase B), at the time corresponding to the angle (-β-ε) (see Fig. 5), the phase-shifting device 15 of phase A turns off the transistor 13 (or 11), which leads to turn on the capacitor 10 in phase A with the polarity opposite to the current of phase A. The recharging of the capacitor 10 of phase A begins. The path of the charging current (shown by the dashed line in Fig. 6a): the reverse diode of transistor 12 is the “plus” of the capacitor 10 is the “minus” of the capacitor 10 - reverse diode of the transistor 14. On the interval (-β -ε) ... (- β), the capacitor 10 is charged with full current phase A (recharged).

В момент времени, соответствующий углу (-β), фазосмещающее устройство 21 включением тиристора 26 начинает коммутацию тиристора 25. Одновременно фазосмещающее устройство 15 коммутатора 3 фазы В включает транзисторы 11 и 13, включая конденсатор 10 в фазе В с полярностью, совпадающей с током фазы В. Контур коммутации показан на фиг.6б. Результирующие токи в фазах определяются суперпозицией токов на фиг.6а и 6б. На интервале (-β)...ν (см. фиг.5) конденсатор 10 фазы А заряжается спадающим до нуля током отключаемого тиристора 25, а конденсатор 10 фазы В разряжается нарастающим током фазы В. В момент времени, соответствующий углу θ=ν+δ (см. фиг.5), фазосмещающее устройство 15 фазы В выключает транзистор 11. На этом коммутация фаз А и В заканчивается. Контур тока после коммутации показан на фиг.6в.At a point in time corresponding to the angle (-β), the phase-shifting device 21 turns on the thyristor 26 by switching on the thyristor 25. At the same time, the phase-shifting device 15 of phase 3 switch 3 includes transistors 11 and 13, including a capacitor 10 in phase B with a polarity matching the phase B current The switching circuit is shown in FIG. The resulting currents in the phases are determined by the superposition of currents in figa and 6b. In the interval (-β) ... ν (see Fig. 5), the phase A capacitor 10 is charged by the current of the disconnected thyristor 25 falling to zero, and the phase B capacitor 10 is discharged by the increasing phase B current. At the time corresponding to the angle θ = ν + δ (see Fig. 5), the phase-shifting device 15 of the phase B turns off the transistor 11. At this point, the switching of phases A and B ends. The current loop after switching is shown in FIG.

При второй из двух вышеупомянутых коммутаций (с тиристора 24 фазы С на тиристор 22 фазы А, см. фиг.5), фазосмещающие устройства 15 и 21 осуществляют аналогичные описанным выше операции, но со сдвигом на угол π/3.In the second of the two aforementioned switching operations (from thyristor 24 of phase C to thyristor 22 of phase A, see FIG. 5), phase shifting devices 15 and 21 carry out the same operations as described above, but with an angle shift of π / 3.

В момент времени, соответствующий углу (π/3-β-ε) выключают транзистор 12 коммутатора 3 в фазе С, что приводит к включению конденсатора 10 в фазе С с полярностью, At the time point corresponding to the angle (π / 3-β-ε), the transistor 12 of the switch 3 is turned off in phase C, which leads to the inclusion of a capacitor 10 in phase C with polarity,

противоположной току фазы С. На интервале (π/3-β-ε)...(π/3-β) происходит подзаряд этого конденсатора. В момент времени, соответствующий углу (π/3-β) включают тиристор 22 и транзисторы 12 и 14 фазы А, вновь включая конденсатор 10 в фазе А, но с полярностью, совпадающей с током фазы А. На интервале (π/3-β)...(π/3+ν+δ) конденсатор 10 фазы С продолжает заряжаться, а конденсатор 10 фазы А разряжается. В момент времени, соответствующий углу (π/3+ν+δ) конденсатор 10 в фазе А отключают, выключая транзистор 14 коммутатора 3 в фазе А. На этом коммутация фаз С и А заканчивается.opposite to the current of phase C. On the interval (π / 3-β-ε) ... (π / 3-β), this capacitor is recharged. At the point in time corresponding to the angle (π / 3-β), turn on the thyristor 22 and transistors 12 and 14 of phase A, again turning on the capacitor 10 in phase A, but with a polarity matching the current of phase A. In the interval (π / 3-β ) ... (π / 3 + ν + δ) the phase C capacitor 10 continues to be charged, and the phase A capacitor 10 is discharged. At the moment of time corresponding to the angle (π / 3 + ν + δ), the capacitor 10 in phase A is turned off, turning off the transistor 14 of switch 3 in phase A. This completes the switching of phases C and A.

Управление транзисторами 11, 12, 13, 14 коммутаторов 3 в фазах В и С осуществляют аналогично, но со сдвигом 2π/3 и 4π/3 соответственно. Порядок переключения транзисторов изображен на фиг.7, где через А11...А14 обозначены импульсы включения транзисторов 11...14 коммутатора 3 фазы А, В11...В14 - то же в фазе В и С11...С14 - то же для фазы С.The control of transistors 11, 12, 13, 14 of the switches 3 in phases B and C is carried out similarly, but with a shift of 2π / 3 and 4π / 3, respectively. The switching order of the transistors is shown in Fig.7, where A11 ... A14 indicates the switching pulses of the transistors 11 ... 14 of the switch 3 phase A, B11 ... B14 - the same in phase B and C11 ... C14 - the same for phase C.

Обратимся снова к фиг.4б, на которой изображены временные диаграммы напряжений на конденсаторах 10 в фазах А, В и С: Еа, Еb и Еc. Видно, что в промежутке времени между каждой парой однополярных импульсов ток в соответствующей фазе (см. фиг.4в) равен нулю, т.е. заряд и напряжение конденсатора 10 не изменяется. Это позволяет наряду с вышеописанным порядком включения транзисторов 11, 12, 13, 14 применять несколько видоизмененный порядок их включения, проиллюстрированный фиг.8, где обозначения такие же, как на фиг.7.Let us again turn to figb, which shows the timing diagram of the voltages on the capacitors 10 in phases A, B and C: Ea, Eb and Ec. It is seen that in the time interval between each pair of unipolar pulses, the current in the corresponding phase (see Fig. 4c) is zero, i.e. the charge and voltage of the capacitor 10 does not change. This allows, along with the above-described order of switching on transistors 11, 12, 13, 14, to apply a slightly modified order of their switching, illustrated in Fig. 8, where the designations are the same as in Fig. 7.

Первый и второй варианты включения транзисторов практически одинаковы, но применение второго варианта позволяет упростить управление коммутаторами.The first and second options for turning on transistors are almost the same, but the use of the second option simplifies the management of switches.

Вышеизложенное позволяет сформулировать часть существенных признаков заявляемого технического решения, отличающих его от известного технического решения (2):The above allows us to formulate a part of the essential features of the claimed technical solution that distinguishes it from the known technical solution (2):

1. Использование при каждой коммутации тока, происходящей между парой тиристоров 22...27 инвертора 2 не одного источника вспомогательных ЭДС, как в известном техническом решении (2), а двух одновременно действующих, как в режимах малых, так и полных фазных токов электродвигателя, вспомогательных ЭДС (двух коммутаторов), что улучшает технико-экономические показатели привода за счет:1. The use at each switching current occurring between a pair of thyristors 22 ... 27 inverters 2 not one source of auxiliary EMF, as in the well-known technical solution (2), but two simultaneously acting, both in the modes of small and full phase currents of the electric motor auxiliary EMF (two switches), which improves the technical and economic performance of the drive due to:

- уменьшения угла (сокращения интервала) коммутации и, соответственно, угла опережения,- reducing the angle (reduction of the interval) switching and, accordingly, the lead angle,

- большего значения задержки момента перехода через ноль результирующей ЭДС коммутации относительно момента перехода через ноль основной ЭДС коммутации (т.е. без добавленных вспомогательных ЭДС).- a greater delay value of the moment of transition through zero of the resulting EMF switching relative to the moment of transition through zero of the main EMF of switching (i.e., without added auxiliary EMF).

2. Независимость величины и длительности вспомогательных ЭДС (напряжения на конденсаторе 10) от величины фазных ЭДС электродвигателя 5, что позволяет:2. The independence of the magnitude and duration of the auxiliary EMF (voltage across the capacitor 10) from the magnitude of the phase EMF of the electric motor 5, which allows:

- обеспечить коммутацию тиристоров 22...27 инвертора 2 при отсутствии фазных ЭДС электродвигателя 5 или их недостаточной величине (что имеет место при трогании электродвигателя) и, тем самым, создать условия для плавного, без прерывания тока, пуска и разгона электродвигателя 5.- to ensure switching of thyristors 22 ... 27 of inverter 2 in the absence of phase EMF of electric motor 5 or their insufficient value (which occurs when the electric motor is moving off) and, thereby, create conditions for smooth, without interrupting current, starting and accelerating electric motor 5.

- обеспечить возможность совместной работы электродвигателя 5 с питающими его инверторами 2 в режимах, близких к оптимальным, за счет обеспечения возможности изменения угла сдвига между током и напряжением фаз электродвигателя 5 от опережающего до отстающего.- to provide the possibility of joint operation of the electric motor 5 with the inverters 2 feeding it in the modes close to optimal, due to the possibility of changing the angle of shift between the current and the phase voltage of the electric motor 5 from leading to lagging.

Дополнительным важным преимуществом использования коммутаторов 3 является возможность приблизить форму фазных токов электродвигателя 5 к синусоиде, что улучшает технико-экономические показатели электропривода.An additional important advantage of using switches 3 is the ability to bring the phase currents of the electric motor 5 closer to a sinusoid, which improves the technical and economic performance of the electric drive.

На фиг.9 представлена схема высоковольтного преобразователя с коммутаторами 3 по схеме однофазного моста применительно к электродвигателю 5 с одной трехфазной Figure 9 presents a diagram of a high-voltage converter with switches 3 according to the scheme of a single-phase bridge in relation to the electric motor 5 with one three-phase

обмоткой 4, позволяющая получить приближенную к синусоиде форму фазных токов электродвигателя 5. Схема на фиг.9 отличается от схемы, представленной на фиг.2 тем, что в устройства 8 управления каждого коммутатора 3 дополнительно введены блок 30 задания тока и блок 31 модуляции ширины импульсов управления транзисторами 11...14 коммутатора 3. Фазосмещающее устройство 32 коммутатора 3 снабжено дополнительным входом, соединенньм с выходом соответствующего блока 31 модуляции ширины импульсов управления транзисторами 11...14. Соответственно логический автомат фазосмещающего устройства 32 имеет дополнительный узел обработки сигнала, поступающего с блока 31 модуляции ширины импульсов, который принципиально устроен аналогично типовому блоку, реализующему модуляцию ширины импульса (Pulse Width Modulation - PWM). Один вход блока 31 соединен с соответствующим датчиком 6 тока фазы электродвигателя 5, а другой вход соединен с выходом блока 30 задания тока.winding 4, which allows you to get the shape of the phase currents of the motor 5 close to the sinusoid. The circuit in Fig. 9 differs from the circuit shown in Fig. 2 in that the current setting unit 30 and the pulse width modulation unit 31 are additionally introduced into the control devices 8 of each switch 3 control transistors 11 ... 14 of the switch 3. The phase shifting device 32 of the switch 3 is equipped with an additional input connected to the output of the corresponding unit 31 of the modulation pulse width of the control pulses of the transistors 11 ... 14. Accordingly, the logic device of the phase shifting device 32 has an additional processing unit for the signal coming from the pulse width modulation unit 31, which is basically similar to a typical unit that implements pulse width modulation (Pulse Width Modulation - PWM). One input of block 31 is connected to the corresponding sensor 6 of the phase current of the motor 5, and the other input is connected to the output of block 30 of the current setting.

На фиг.10 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип управления коммутаторами 3, позволяющий получить приближенную к синусоиде форму фазных токов электродвигателя 5. На фиг.10а показаны фазные напряжения Ua, Ub и Uc, а также результирующие ЭДС коммутации (-Uab+Еа-Eb), (-Ubc+Eb-Ес) и (-Uca+Ес-Еа). Вид вспомогательных ЭДС в фазах А, В и С: Еа, Eb и Ес - представлен на фиг.10б.Figure 10 presents time diagrams explaining the principle of control of the switches 3, allowing you to get close to the sinusoidal shape of the phase currents of the motor 5. Figure 10a shows the phase voltage Ua, Ub and Uc, as well as the resulting emf switching (-Uab + Еа-Eb ), (-Ubc + Eb-Ec) and (-Uca + Ec-Ea). The type of auxiliary EMF in phases A, B and C: Ea, Eb and Ec - is presented in Fig.10b.

На фиг.10в представлены кривые мгновенных значений фазных токов ia, ib, ic, построенные с учетом действия результирующих ЭДС коммутации. Приближением к синусоидальной является трапецеидальная форма фазных токов ia, ib, ic, достигаемая за счет увеличения угла коммутации и за счет линеаризации тока коммутации, что обеспечивается управлением транзисторами 11...14 по методу модуляции ширины импульса (PWM).On figv presents the curves of the instantaneous values of the phase currents ia, ib, ic, constructed taking into account the action of the resulting EMF switching. An approximation to the sinusoidal is the trapezoidal shape of the phase currents ia, ib, ic, achieved by increasing the switching angle and by linearizing the switching current, which is achieved by controlling transistors 11 ... 14 by the pulse width modulation method (PWM).

Работа заявляемого устройства, представленного на фиг.9, отличается от работы устройства на фиг.2 только тем, что на интервале коммутации фазосмещающие устройства The operation of the inventive device shown in Fig. 9 differs from the operation of the device in Fig. 2 only in that phase shifting devices on the switching interval

32 обеспечивают включение конденсаторов 10 в цепь фазных токов с полярностью и на время, задаваемые блоком 31, который отрабатывает соответствие фактического тока фазы току уставки, задаваемому блоком 30.32 provide the inclusion of capacitors 10 in the phase current circuit with polarity and for a time specified by block 31, which fulfills the correspondence of the actual phase current to the set current set by block 30.

Применительно к изложенному выше дополнительному преимуществу использования коммутаторов 3 существенным признаком заявляемого технического решения, отличающим его от известного технического решения (2), является использование при каждой коммутации тока, происходящей между парой тиристоров 22...27 инвертора 2, двух одновременно действующих коммутаторов 3, транзисторами 11...14 которых управляют по методу модуляции ширины импульса, что позволяет получить трапецеидальную форму фазных токов, достигаемую за счет увеличения угла коммутации и за счет линеаризации тока коммутации. Трапецеидальная форма тока обеспечивает значительное уменьшение содержания высших гармонических в кривой тока, что улучшает технико-экономические показатели электропривода.In relation to the above additional advantage of using switches 3, an essential feature of the claimed technical solution that distinguishes it from the known technical solution (2) is the use of two current switches 3 at the same time between the pair of thyristors 22 ... 27 of inverter 2, transistors 11 ... 14 of which are controlled by the method of modulating the pulse width, which allows you to get a trapezoidal shape of the phase currents, achieved by increasing the angle of switching and due to the linearization of the switching current. The trapezoidal current shape provides a significant reduction in the content of higher harmonics in the current curve, which improves the technical and economic performance of the electric drive.

В соответствии с предложенным техническим решением коммутаторы 3 могут быть выполнены в виде трехуровнего однофазного модуля (фиг.11а). Выбор конкретной схемы зависит от критериев, принятых при проектировании электропривода.In accordance with the proposed technical solution, the switches 3 can be made in the form of a three-level single-phase module (figa). The choice of a specific circuit depends on the criteria adopted in the design of the electric drive.

В соответствии с предложенным техническим решением в случае, когда уровень рабочих напряжений элементов коммутатора недостаточен, источники вспомогательных ЭДС могут быть образованы последовательным соединением двух или более коммутаторов (см. фиг.11б).In accordance with the proposed technical solution, in the case when the operating voltage level of the switch elements is insufficient, the sources of auxiliary EMF can be formed by the serial connection of two or more switches (see fig. 11b).

Таким образом, при вышеуказанном исполнении первого варианта заявляемого устройства обеспечивается плавный пуск электродвигателя 5, начиная с нулевой скорости, Thus, with the above performance of the first embodiment of the inventive device, a smooth start of the electric motor 5 is ensured, starting at zero speed,

обеспечивается возможность совместной работы электродвигателя 5 с питающими его инверторами 2 в режимах, близких к оптимальным, за счет обеспечения возможности изменения угла сдвига между током и напряжением фаз электродвигателя 5 от опережающего до отстающего, а также за счет обеспечения возможности приближения формы фазных токов электродвигателя 5 к синусоиде.it is possible for the motor 5 to work together with the inverters 2 supplying it in near optimal modes by providing the possibility of changing the angle of shift between the current and the phase voltage of the electric motor 5 from leading to lagging, and also by making it possible to approximate the shape of the phase currents of the electric motor 5 to sine wave.

На фиг.12 представлена схема второго варианта заявляемого высоковольтного преобразователя частоты применительно к электродвигателю 5 с одной трехфазной обмоткой 4.On Fig presents a diagram of a second variant of the inventive high-voltage frequency converter in relation to the electric motor 5 with one three-phase winding 4.

Силовая часть высоковольтного преобразователя (см. фиг.12) состоит из источника 1 регулируемого постоянного тока, к которому подключен коммутируемый нагрузкой трехфазный мостовой тиристорный инвертор 2, к фазным выходам которого подключены 3 вывода (начала) фазных обмоток трехфазной обмотки 4 электродвигателя 5, а к 3-м другим выводам (концам) фазных обмоток подключены 3 вывода переменного тока от коммутатора 33, состоящего из конденсатора 34 и 6-ти IGВТ-транзисторов 35, 36, 37, 38, 39, 40, соединенных по схеме трехфазного моста. Конденсатор 34 подключен к выводам постоянного тока коммутатора 33.The power part of the high-voltage converter (see Fig. 12) consists of a regulated constant current source 1, to which a three-phase bridge thyristor inverter 2 is connected, switched by a load, 3 outputs (start) of the phase windings of the three-phase winding 4 of the electric motor 5 are connected to the phase outputs thereof, and The 3 other terminals (ends) of the phase windings are connected 3 AC terminals from the switch 33, consisting of a capacitor 34 and 6 IGVT transistors 35, 36, 37, 38, 39, 40, connected by a three-phase bridge circuit. The capacitor 34 is connected to the DC terminals of the switch 33.

Управляющая часть высоковольтного преобразователя (см. фиг.12) состоит из устройства 8 управления коммутатором 33 и устройства 9 управления инвертором 2.The control part of the high-voltage converter (see Fig. 12) consists of a control device 8 of the switch 33 and a control device 9 of the inverter 2.

Устройство 8 управления коммутатором 33 состоит из фазосмещающего устройства 41, вырабатывающего импульсы включения и выключения IGВТ-транзисторов 35, 36, 37, 38, 39,40, первого сумматора 16 и второго сумматора 17, регулятора 18 напряжения, датчика 19 напряжения конденсатора 34 и блока 20 задания величины вспомогательной ЭДС.The control device 8 of the switch 33 consists of a phase shifting device 41, which generates pulses on and off IGVT transistors 35, 36, 37, 38, 39,40, the first adder 16 and the second adder 17, the voltage regulator 18, the voltage sensor 19 of the capacitor 34 and the block 20 set the value of the auxiliary EMF.

Устройство 9 управления инвертором 2 аналогично устройству 9 на фиг.2.The control device 9 of the inverter 2 is similar to the device 9 in figure 2.

В устройстве 8 (управления коммутатором 33) первый и второй входы первого сумматора 16 соединены соответственно с выходом датчика 19 напряжения конденсатора 34 и с выходом блока 20 задания величины вспомогательной ЭДС; выход первого сумматора 16 соединен с входом регулятора 18 напряжения. Первый и второй входы второго сумматора 17 соединены соответственно с выходом регулятора 18 напряжения и с выходом блока 28 задания угла опережения; выход второго сумматора 17 соединен с одним входом фазосмещающего устройства 41, другой вход которого соединен с выходом преобразователя синхросигналов в последовательность опорных функций, входящего в состав блока 29 синхронизации. На фиг.13 представлена схема второго варианта заявляемого высоковольтного преобразователя частоты применительно к электродвигателю 5 с несколькими трехфазными обмотками 4.In the device 8 (control of the switch 33), the first and second inputs of the first adder 16 are connected respectively to the output of the capacitor voltage sensor 19 and to the output of the auxiliary emf value setting unit 20; the output of the first adder 16 is connected to the input of the voltage regulator 18. The first and second inputs of the second adder 17 are connected respectively to the output of the voltage regulator 18 and to the output of the angle setting unit 28; the output of the second adder 17 is connected to one input of the phase shifting device 41, the other input of which is connected to the output of the clock converter into a sequence of reference functions included in the synchronization unit 29. On Fig presents a diagram of a second variant of the inventive high-voltage frequency converter in relation to the electric motor 5 with several three-phase windings 4.

Работа второго варианта заявляемого устройства описана с использованием фиг.12, 14, 15, 16.The operation of the second variant of the claimed device is described using Figs. 12, 14, 15, 16.

Алгоритм управления транзисторами 35, 36, 37, 38, 39, 40 коммутатора 33 описан на примере коммутации тиристоров 25 (отключаемый тиристор, фаза А) и 26 (включаемый тиристор, фаза В) инвертора 2 и проиллюстрирован схемами протекания контурных токов в процессе коммутации по цепи: инвертор 2 - электродвигатель 5 - коммутатор 33, представленными на фиг.14, а также временными диаграммами токов и напряжений на фиг.15 и 16.The control algorithm for transistors 35, 36, 37, 38, 39, 40 of switch 33 is described by switching thyristors 25 (turn-off thyristor, phase A) and 26 (turn-on thyristor, phase B) of inverter 2 and is illustrated by circuits of flowing loop currents during switching through circuit: inverter 2 - electric motor 5 - switch 33, shown in Fig.14, as well as time diagrams of currents and voltages in Fig.15 and 16.

На фиг.15а представлена кривая результирующей ЭДС коммутации, полученная сложением основной ЭДС коммутации (-Uab) с напряжением Е конденсатора 34. На фиг.15б представлены кривые токов ia и ib, совмещенные на одной диаграмме. За начало отсчета угла θ=ωt принята точка пересечения основной ЭДС коммутации (-Uab) с осью абсцисс.On figa presents a curve of the resulting EMF switching, obtained by adding the main EMF switching (-Uab) with voltage E of the capacitor 34. On figb presents the current curves ia and ib, combined in one diagram. For the reference point of the angle θ = ωt, the intersection point of the main emf switching (-Uab) with the abscissa axis is taken.

На фиг.14а показан путь тока для момента, предшествующего коммутации. На фиг.15б соответствующий этому моменту угол обозначен (-β -ε). Направление тока здесь и далее показано стрелками. В инверторе 2 ток проводят тиристоры 25 (фаза А) и 24 (фаза С). В коммутаторе 33 ток проводят ток диод транзистора 38 и транзистор 40 В этот момент времени открывающие потенциалы управления поданы на транзисторы 36, 38, 40, но транзисторы 36 и 38 ток не проводят (транзистор 38 закрыт - ток проходит через его обратный диод). Здесь и в дальнейшем транзисторы с открывающими потенциалами управления обведены кружком.On figa shows the current path for the moment preceding the switching. On figb corresponding to this moment the angle is indicated by (-β -ε). The direction of the current is hereinafter indicated by arrows. Thyristors 25 (phase A) and 24 (phase C) conduct current in inverter 2. In the switch 33, a current is conducted by the diode of the transistor 38 and the transistor 40 At this point in time, the opening control potentials are applied to the transistors 36, 38, 40, but the transistors 36 and 38 do not conduct current (the transistor 38 is closed - the current passes through its reverse diode). Hereinafter, transistors with opening control potentials are circled.

Начало процесса коммутации задается подачей управляющего потенциала на тиристор 26 для момента времени, которому соответствует угол (-β) (см. фиг 15б). Включение тиристора 26 приводит к образованию контура коммутации, показанного на фиг.14б. В контуре напряжение Е конденсатора 34 добавляется к основной ЭДС коммутации (-Uab), ускоряя процессы спада тока в тиристоре 25 и нарастания тока в тиристоре 26. Конденсатор 34 при этом несколько разряжается, теряя часть своего заряда.The beginning of the switching process is set by supplying a control potential to the thyristor 26 for a point in time to which the angle (-β) corresponds (see Fig. 15b). The inclusion of the thyristor 26 leads to the formation of a switching circuit, shown in fig.14b. In the circuit, the voltage E of the capacitor 34 is added to the main emf switching (-Uab), accelerating the processes of current decay in the thyristor 25 and the increase in current in the thyristor 26. The capacitor 34 is somewhat discharged, losing part of its charge.

В соответствии с алгоритмом, принятым для рассматриваемого второго варианта предложенного технического решения, при угле (-μ), приблизительно соответствующем моменту равенства токов коммутации (ia=ib) транзистор 40 выключают, одновременно подавая открывающий потенциал управления на транзистор 37.In accordance with the algorithm adopted for the considered second variant of the proposed technical solution, at an angle (-μ) approximately corresponding to the moment of equality of the switching currents (ia = ib), the transistor 40 is turned off, while simultaneously supplying the opening control potential to the transistor 37.

Следует отметить, что результирующий ток в цепи: инвертор 2 - электродвигатель 5 - коммутатор 33 для интервала (-β)...(-μ) определяется как суперпозиция токов на фиг.14а и 14б.It should be noted that the resulting current in the circuit: inverter 2 - electric motor 5 - switch 33 for the interval (-β) ... (- μ) is defined as a superposition of currents in figa and 14b.

В результате отключения транзистора 40 контур тока, изображенный на фиг.14а сменяется контуром тока на фиг.14в. В коммутаторе 33 ток инвертора 2 проходит по обратным диодам транзисторов 37 и 38 и конденсатор 34, восполняя заряд конденсатора 34, As a result of turning off the transistor 40, the current loop shown in FIG. 14 a is replaced by the current loop in FIG. 14 c. In the switch 33, the current of the inverter 2 passes through the reverse diodes of the transistors 37 and 38 and the capacitor 34, replenishing the charge of the capacitor 34,

потерянный на интервале (-β)...(-μ). На интервале (-μ)...ν ток тиристора 25 спадает до нуля.lost on the interval (-β) ... (- μ). In the interval (-μ) ... ν, the thyristor current 25 drops to zero.

Результирующий ток в цепи: инвертор 2 - электродвигатель 5 - коммутатор 33 на интервале (-μ)...ν определяется как суперпозиция токов на фиг.14б и 14в. Величина результирующей ЭДС коммутации становится равной нулю при угле ν+δ, где (δ - угол запаса, необходимый для восстановления отключенным тиристором запирающих свойств). Контур прохождения тока по окончании коммутации тиристоров 25 и 26 показан на фиг.14г.The resulting current in the circuit: inverter 2 - electric motor 5 - switch 33 in the interval (-μ) ... ν is defined as a superposition of currents in fig.14b and 14c. The value of the resulting emf switching becomes equal to zero at an angle ν + δ, where (δ is the reserve angle necessary to restore the locking properties of the disconnected thyristor). The current flow loop at the end of the thyristor 25 and 26 switching is shown in FIG.

Значение угла (-μ) вычисляется в устройстве 8 управления коммутатором 33 исходя из условия равенства заряда, отданного конденсатором 34 на интервале (-β)...(-μ), и заряда, полученного конденсатором 34 на интервале (-μ)...ν. Обеспечение баланса заряда конденсатора 34 в ходе коммутации позволяет по окончании коммутации восстановить напряжение на конденсаторе 34 до уровня Е, соответствующего времени до начала коммутации. Для этого в устройстве 8 реализована цепь коррекции (см. фиг.12), выполненная аналогично цепи коррекции на фиг.2. Она включает в себя блок 20 задания требуемого уровня напряжения Е конденсатора 34, датчик 19, измеряющий фактическое значение напряжения конденсатора 34, сумматор 16, вычисляющий рассогласование, поступающее на вход регулятора 18, выходной сигнал которого пропорционален требуемому значению угла (-μ). В сумматоре 17 происходит сложение сигналов, пропорциональных углам β и (-μ), и результирующий сигнал поступает на вход фазосмещающего устройства 41, управляющего включением транзисторов 35...40. Регулятор 18 может быть аналоговым или микропроцессорным.The angle value (-μ) is calculated in the control device 8 of the switch 33 based on the condition of equality of the charge given by the capacitor 34 in the interval (-β) ... (- μ) and the charge received by the capacitor 34 in the interval (-μ) .. .ν. Providing a balance of the charge of the capacitor 34 during the switching allows at the end of the switching to restore the voltage on the capacitor 34 to level E, corresponding to the time before the start of switching. To this end, a correction circuit is implemented in the device 8 (see Fig. 12), made similarly to the correction circuit in Fig. 2. It includes a unit 20 for setting the required voltage level E of the capacitor 34, a sensor 19 measuring the actual value of the voltage of the capacitor 34, an adder 16 calculating the mismatch input to the controller 18, the output signal of which is proportional to the required value of the angle (-μ). In the adder 17, the signals proportional to the angles β and (-μ) are added, and the resulting signal is fed to the input of the phase shifting device 41, which controls the inclusion of transistors 35 ... 40. The controller 18 may be analog or microprocessor.

Для практической реализации величина емкости конденсатора 34 и его напряжение Е выбираются, исходя из конкретных параметров контура коммутации таким образом, чтобы обеспечивались требуемые значения углов β и φ.For practical implementation, the value of the capacitance of the capacitor 34 and its voltage E are selected based on the specific parameters of the switching circuit in such a way that the required values of the angles β and φ are provided.

На фиг.16а, изображены напряжения электродвигателя 5 и результирующие ЭДС коммутации, на фиг.16б и в - фазные токи и вспомогательные ЭДС коммутации. Временная диаграмма управляющих потенциалов включения транзисторов 35, 36, 37, 38, 39, 40 представлена на фиг.16г.On figa, shows the voltage of the electric motor 5 and the resulting emf switching, on figb and in - phase currents and auxiliary emf switching. The timing diagram of the control potentials of the inclusion of transistors 35, 36, 37, 38, 39, 40 is shown in Fig.16.

Для второго варианта заявляемого технического решения существенными признаками, отличающими его от известного технического решения (2) являются:For the second version of the claimed technical solution, the essential features distinguishing it from the known technical solution (2) are:

1. Независимость величины и длительности напряжения на конденсаторе 34 от величины фазных ЭДС электродвигателя 5, что позволяет:1. The independence of the magnitude and duration of the voltage across the capacitor 34 from the magnitude of the phase EMF of the electric motor 5, which allows:

2. Построение схемы коммутатора 33 в виде трехфазной мостовой схемы, с одним конденсатором 34, работающим в очень экономичном режиме (частичный разряд - заряд в течение одного интервала коммутации) и создающим дополнительную коммутирующую ЭДС для каждой коммутации тиристоров 22...27 инвертора 2 что позволяет улучшить технико-экономические показатели привода за счет:2. The construction of the switch circuit 33 in the form of a three-phase bridge circuit, with one capacitor 34 operating in a very economical mode (partial discharge - charge for one switching interval) and creating an additional switching EMF for each switching of the thyristors 22 ... 27 of the inverter 2 which allows you to improve the technical and economic performance of the drive due to:

- увеличения задержки момента перехода через ноль результирующей ЭДС коммутации относительно момента перехода через ноль основной ЭДС коммутации,- increase the delay of the moment of transition through zero of the resulting EMF switching relative to the moment of transition through zero of the main EMF of switching,

- уменьшения угла (интервала) коммутации и, соответственно, угла опережения.- reducing the angle (interval) of switching and, accordingly, the lead angle.

Таким образом, при вышеуказанном исполнении второго варианта заявляемого устройства обеспечивается плавный пуск электродвигателя 5, начиная с нулевой скорости, обеспечивается возможность совместной работы электродвигателя 5 с питающими его инверторами 2 в режимах, близких к оптимальным, за счет обеспечения возможности изменения угла сдвига между током и напряжением фаз электродвигателя 5 от опережающего до отстающего.Thus, with the above version of the second variant of the claimed device, the soft start of the electric motor 5 is ensured, starting from zero speed, the possibility of the joint operation of the electric motor 5 with the inverters 2 supplying it in close to optimal modes is ensured, due to the possibility of changing the angle of shear between current and voltage phases of the electric motor 5 from leading to lagging.

На фиг.17 и 18 приведены результаты математического моделирования электропривода с заявляемым высоковольтным преобразователем на программном комплексе ЕЛТРАН.On Fig and 18 shows the results of mathematical modeling of an electric drive with the claimed high voltage converter on the ELTRAN software package.

Время дано в миллисекундах, напряжение в вольтах и ток в амперах. Рассмотрена машина номинальной частоты 300 Гц, входной ток преобразователя частоты 1200 А. Амплитуда противоэдс фазы обмотки двигателя 3900 В. Сдвиг между фазньм током и противоэдс фазы 15°.Time is given in milliseconds, voltage in volts and current in amperes. A machine with a nominal frequency of 300 Hz and an input current of a frequency converter of 1200 A are considered. The amplitude of the counter-emf of the phase of the motor winding is 3900 V. The shift between the phase current and counter-emf of the phase is 15 °.

На фиг.17 представлены осциллограммы для первого варианта преобразователя частоты с тремя дополнительными источниками в фазах. Напряжение дополнительного источника 3400 В.On Fig presents the waveform for the first version of the frequency Converter with three additional sources in phases. The voltage of the additional source is 3400 V.

На фиг.17а показаны графики фазных токов i_А, iB, iC и напряжение UA фазы А (в масштабе 0.5).On figa shows graphs of phase currents i _A , iB, iC and voltage UA phase A (in a scale of 0.5).

На фиг.17б показан ток конденсатора дополнительного коммутатора фазы А Icon (iC_A).On figb shows the current capacitor of the additional switch phase And Icon (iC _A ).

На фиг.17в показаны напряжения фазных коммутаторов фазы А и В ###U8494А и ###U8494В (UKA, UKB).On figv shows the voltage of the phase switches phase A and B ### U8494A and ### U8494B (UKA, UKB).

На фиг.17г показаны фазный ток i_A и фазное напряжение UA машины (фаза А).On Figg shows the phase current i _A and the phase voltage UA of the machine (phase A).

На фиг.18 представлены осциллограммы для второго варианта преобразователя частоты с трехфазным дополнительным источником напряжения. Напряжение дополнительного источника 6800В.On Fig presents waveforms for the second variant of the frequency Converter with a three-phase additional voltage source. The voltage of the additional source is 6800V.

На фиг.18а показаны графики фазных токов i_A, iB, iC и напряжение UA фазы А (в масштабе 0.5).On figa shows graphs of phase currents i _A , iB, iC and voltage UA phase A (in a scale of 0.5).

На фиг.18б показан ток конденсатора дополнительного коммутатора фазы А Icon (iС_A).On figb shows the current of the capacitor of the additional switch phase A Icon (IC _A ).

На фиг.18в показано линейное напряжение дополнительного коммутатора фазы ###U8494AB (UKAB).On figv shows the line voltage of the additional phase switch ### U8494AB (UKAB).

На фиг.18г показаны фазный ток i_A и фазное напряжение UA машины (фаза А).On Figg shows the phase current i _A and the phase voltage UA of the machine (phase A).

Источники информацииInformation sources

1. Справочник по преобразовательной технике. Под ред. И.М.Чиженко, Киев., «Техника», 1978, стр.52, рис.2-17.1. Handbook of conversion technology. Ed. I.M. Chizhenko, Kiev., "Technique", 1978, p. 52, Fig. 2-17.

2. US Patent, US 4,713,743, Int. C1.4 H 02 M 7/521, Dec. 15, 1987, Load-commutated inverter and synchronous motor drive embodying the same (Инвертор, коммутируемый нагрузкой, и привод с синхронным электродвигателем, включающий в себя упомянутый инвертор). Alberto Abbondanti.2. US Patent, US 4,713,743, Int. C1.4 H 02 M 7/521, Dec. 15, 1987, Load-commutated inverter and synchronous motor drive embodying the same (Load-commutated inverter and synchronous motor drive including said inverter). Alberto Abbondanti.

Claims

1. A high-voltage frequency converter for starting and controlling the speed of a powerful electric motor having one or more three-phase windings, including: a regulated DC source;

a three-phase bridge load-switched inverter connected to the said source and consisting of six identical semi-controlled valves (for example, thyristors), auxiliary EMF sources connected to the alternating current terminals of the inverter in series with the phases of the three-phase winding of the aforementioned electric motor, current and voltage sensors and inverter control devices and sources of auxiliary EMF, while the inverter control device includes a phase shifting device, a reference unit the lead, the output of which is connected to one input of the phase shifting device and the synchronization unit relative to the voltage of the electric motor, including a clock converter into a sequence of reference functions, the output of which is connected to the other input of the phase shifting device, characterized in that the number of the mentioned inverters is equal to the number of three-phase motor windings moreover, the inverters are connected in series with the regulated constant current source, each of the auxiliary emf sources is made a switch having one or two capacitors and identical fully controllable valves having reverse conductivity, the switch having two AC terminals: the first terminal is connected to the corresponding alternating current terminal of the corresponding inverter, the second terminal is connected to the corresponding phase terminal of the corresponding three-phase winding of said electric motor and two DC terminals to which said capacitor or two capacitors are connected, the devices are controlled I entered the valves of each switch: the phase shifting device of the switch, the first and second adders, the voltage regulator, the voltage sensor of the corresponding capacitor or two capacitors, the unit for setting the magnitude of the auxiliary EMF, the first and second inputs of the first adder are connected respectively to the output of the voltage sensor of the capacitor and to the output of the task unit values of auxiliary EMF, the output of the first adder is connected to the input of the voltage regulator, the first and second inputs of the second adder are connected, respectively a voltage output controller and a yield advance angle setting unit, the second adder output is connected to one input of a phase-shifting switch device, the other input of which is connected to the output transducer in the sequence of the reference clock functions.

2. The high-voltage converter according to claim 1, characterized in that the current control unit and the pulse width modulation unit for controlling the valve gates are additionally introduced into the valve control devices of each switch, and each phase shifting device of the switch is equipped with an additional input connected to the output of the corresponding pulse width modulation unit valve control, one input of which is connected to the corresponding current sensor of the phase of the motor, and the other input is connected to the output of the current setting unit.

3. The high-voltage converter according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the switch contains a capacitor and four identical fully controllable valves having reverse conductivity, connected according to a single-phase bridge circuit.

4. The high-voltage converter according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the switch contains two capacitors, two diodes and four identical fully controllable valves having reverse conductivity, connected according to the scheme of a three-level single-phase module.

5. High-voltage converter according to any one of claims 1 and 2, characterized in that each of the sources of auxiliary EMF is formed by a series connection of two or more switches.

6. A high-voltage frequency converter for starting and controlling the speed of a powerful electric motor having one or several three-phase windings, including: a regulated DC current source, a three-phase bridge load-switched inverter connected to the said source and consisting of six identical semi-controlled valves (for example, thyristors ), auxiliary emf sources connected to the alternating current terminals of the inverter in series with the phases of the three-phase winding of the above-mentioned ele engine; current and voltage sensors and control devices for the inverter and auxiliary emf sources, the inverter control device including a phase shifting device, an advancing angle setting unit, the output of which is connected to one input of the phase shifting device, and a synchronization unit with respect to the motor voltages, including a clock signal converter a sequence of support functions, the output of which is connected to another input of the phase shifting device, characterized in that the number of ertorov equal to that of three-phase windings of the motor, the inverter connected to the DC power supply controlled sequentially auxiliary EMF sources are in the form of switches equal to the number of three-phase windings of said motor; each of the switches consists of a capacitor and six identical fully controllable gates with reverse conductivity, connected according to the three-phase bridge circuit, to the two DC terminals of which the capacitor is connected, the ends of the first, respectively, the first, second and third AC terminals of the three-phase bridge are connected, the second and third phases of the corresponding three-phase windings of the aforementioned electric motor, and the beginning of the first, second and third phases of the corresponding three-phase windings and the aforementioned electric motor are connected to the corresponding AC terminals of the corresponding inverter, the phase shifting device of the commutator, the first and second adders, the voltage regulator, the voltage sensor of the corresponding capacitor, the auxiliary emf value setting unit, the first and second inputs of the first adder are connected respectively to the valve control devices of each switch with the output of the voltage sensor of the capacitor and with the output of the unit for setting the magnitude of the auxiliary EMF, the output of the first the matrix is connected to the input of the voltage regulator, the first and second inputs of the second adder are connected respectively to the output of the voltage regulator and to the output of the angle setting unit; the output of the second adder is connected to one input of the phase shifting device of the switch, the other input of which is connected to the output of the clock converter into a sequence of reference functions.