Устройство для частотного пуска и регулирования скорости высоковольтного синхронного электродвигателя
Владельцы патента RU 2497268:
Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт релестроения с опытным производством" (RU)
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для плавного пуска шаровых мельниц, конвейеров, вентиляторов со статической нагрузкой на валу и большими маховыми массами, а также других аналогичных производственных механизмов. Технический результат предлагаемого устройства заключается в уменьшении массы, габаритов и стоимости устройства при сниженных пульсациях вращающего момента электродвигателя в области низких скоростей. Технический результат достигается за счет того, что в устройство введены обратный диодный мост, выполненный по трехфазной схеме выпрямления, рассчитанный на напряжение сети (10-15%), два полупроводниковых ключа с блоками управления, два логических элемента ИЛИ и два коммутационных аппарата, один из которых соединяет через соответствующие введенные полупроводниковые ключи разнополярные входные и выходные зажимы постоянного тока тиристорного инвертора и обратного диодного моста, а второй соединяет зажимы переменного тока обратного диодного моста и синхронного электродвигателя. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для плавного пуска шаровых мельниц, конвейеров, вентиляторов со статической нагрузкой на валу и большими маховыми массами, а также других аналогичных производственных механизмов.
Известно тиристорное устройство для частотного пуска и регулирования скорости высоковольтного синхронного электродвигателя с зависимым тиристорным преобразователем частоты (см. каталог продукции ОАО «ВНИИР» «Электроприводная техника» «Тиристорные устройства частотного безударного пуска серии УБПВД-С», www.abs-vniir.ru), содержащее зависимый преобразователь частоты со звеном постоянного тока, состоящий из тиристорного выпрямителя, тиристорного инвертора и сглаживающего дросселя в звене постоянного тока. Электродвигатель запускается в режиме регулирования частоты с включенным возбуждением. До частоты 5-7 Гц, пока ЭДС электродвигателя мала, в преобразователе частоты осуществляется принудительная коммутация тиристоров инвертора методом прерывания тока, основанном на поочередном переводе тиристоров выпрямителя в инверторный режим и обратно. В дальнейшем ЭДС электродвигателя возрастает и тиристорный инвертор переходит в режим естественной коммутации тока фаз за счет ЭДС фаз электродвигателя, наводимых вращающимся полем ротора.
К недостаткам аналога следует отнести наличие провалов крутящего момента электродвигателя до нуля при переключении тока его фаз в области низких скоростей, когда токи работающих фаз снижаются до нуля, а затем вновь возрастают до прежнего значения (но уже в другой паре фаз). Провалы крутящего момента на валу электродвигателя вызывают динамические удары в редукторе механизма и в обмотках электродвигателя, что может привести к выходу их из строя.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для частотного пуска и регулирования скорости высоковольтного синхронного электродвигателя (доклад Бабурина М.В. и др. «Мощный высокооборотный электропривод», IX Симпозиум «Электротехника 2030», доклад 5.08, 29-31 мая 2007 года.), принятое за прототип (см. структурную схему на фиг. 1), содержащее высоковольтный электродвигатель 1, зависимый тиристорный преобразователь 2 частоты, состоящий из управляемого тиристорного выпрямителя 3, тиристорного инвертора 4, сглаживающего дросселя 7 и 3-х дополнительных транзисторных коммутаторов частичного напряжения 30, 31, 32, выполненных по схемам инверторов напряжений, каждый из которых содержит силовые транзисторы 33-36 с обратными диодами и конденсатор 37. Эффект сокращения времени спада тока в фазе электродвигателя, выходящей из работы, достигается включением встречно протекающему току напряжения предварительно заряженного конденсатора 37 (при закрытых транзисторах 33-36). На внекоммутационном участке токовой диаграммы, когда напряжение фазы электродвигателя максимально и превышает номинальное значение напряжения силовых транзисторов коммутатора, ток фазы электродвигателя протекает при одном направлении через открытый транзистор 34 и обратный диод транзистора 36, а при другом направлении тока через открытый диод транзистора 35 и открытый транзистор 33, т.е. транзисторный коммутатор на этом участке токовой диаграммы зашунтирован.
Недостатками прототипа являются его значительные массо-габаритные и стоимостные показатели, обусловленные наличием 3-х высоковольтных конденсаторов и большого количества высоковольтных транзисторов (12 шт.) в транзисторных коммутаторах частичного напряжения, которые обтекаются током нагрузки электродвигателя и в длительном установившемся режиме после завершения пуска, выделяя повышенные тепловые потери.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в уменьшении массы, габаритов и стоимости устройства частотного пуска и регулирования скорости высоковольтного синхронного электродвигателя с зависимым тиристорным преобразователем частоты при сниженных пульсациях вращающего момента электродвигателя в области низких скоростей.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство для частотного пуска и регулирования скорости высоковольтного синхронного электродвигателя, содержащее зависимый преобразователь частоты со звеном постоянного тока, состоящий из тиристорного выпрямителя и тиристорного инвертора с блоками управления, сглаживающего дросселя, введены обратный диодный мост, выполненный по трехфазной схеме выпрямления, полупроводниковые ключи, например, тиристорные, блоки управления полупроводниковыми ключами, логические элементы ИЛИ и коммутационные аппараты, один из которых, соединяет через соответствующие введенные полупроводниковые ключи разнополярные входные и выходные зажимы постоянного тока тиристорного инвертора и обратного диодного моста, а другой - зажимы переменного тока обратного диодного моста и синхронного электродвигателя. Входные зажимы введенных логических элементов ИЛИ соединены с блоком управления тиристорного инвертора, а выходные зажимы соединены с входами соответствующих блоков управления введенных полупроводниковых ключей. Обратный диодный мост выполнен на напряжение, соответствующее уровню переключения тиристоров инвертора в режиме естественной коммутации тока фаз.
Благодаря введению в устройство обратного диодного моста и двух полупроводниковых ключей в сравнении с прототипом (взамен трех транзисторных коммутаторов частичного напряжения на 12 высоковольтных транзисторах с тремя конденсаторами) уменьшаются масса, габариты и снижается стоимость устройства, а введение двух коммутационных аппаратов позволяет отключить обратный диодный мост в области высоких напряжений электродвигателя и выбрать его параметры на меньшее напряжение, снизив дополнительно тем самым его стоимость.
На участке переключения токов фаз двигателя создан путь тока фазы электродвигателя, остающийся в работе, через один из диодов обратного диодного моста, полупроводниковый ключ и контакты коммутационных аппаратов, исключив тем самым снижение до нуля крутящего момента на валу электродвигателя. При этом выбор открываемого полупроводникового ключа выполняется логическими элементами ИЛИ, входные зажимы которых связаны с блоком управления тиристорного инвертора.
Для пояснения предлагаемого изобретения на фиг. 2 приведена структурная схема тиристорного устройства для частотного пуска и регулирования скорости высоковольтного синхронного электродвигателя. На фиг.3 представлены в относительных единицах полученные на модели осциллограммы токов фаз и момента на валу при пуске электродвигателя СТДП - 5000, 5000 кВт, 10 кВ, 331 А (для скорости 0.08 nном) с обратным диодным мостом, а на фиг.4 аналогичные осциллограммы без обратного диодного моста.
Устройство для частотного пуска и регулирования скорости высоковольтного синхронного электродвигателя 1 содержит зависимый преобразователь 2 частоты со звеном постоянного тока, состоящий из тиристорного выпрямителя 3, тиристорного инвертора 4 с блоками управления 5, 6, сглаживающий дроссель с обмотками 7, 8, обратный диодный мост 9, выполненный по трехфазной схеме выпрямления, два полупроводниковых ключа 10, 11 (например, тиристорных), блоки управления полупроводниковыми ключами 12, 13 и два коммутационных аппарата 14, 15, один из которых (14) соединяет через соответствующие полупроводниковые ключи 10, 11 разнополярные входные и выходные зажимы постоянного тока тиристорного инвертора 4 и обратного диодного моста 9, а другой (15) соединяет зажимы переменного тока обратного диодного моста 9 и синхронного электродвигателя 1. В устройстве содержатся два логических элемента ИЛИ 16, 17, входные зажимы которых соединены с выходами блока 6 управления тиристорами инвертора 4, а выходные зажимы соединены с входами соответствующих блоков управления 12, 13 управления полупроводниковых ключей 10, 11. Тиристорный инвертор 4 выполнен на тиристорах анодной группы 18, 20, 22 и тиристорах катодной группы 19, 21, 23, обратный диодный мост 9 выполнен на диодах 24 - 29. Логический элемент ИЛИ 17 предназначен для управления полупроводниковым ключом 11 в режиме коммутации тиристоров анодной группы, а логический элемент ИЛИ 16 - для управления полупроводниковьм ключом 10 в режиме коммутации тиристоров катодной группы.
В случае выполнения в цифровом виде блока управления тиристорного инвертора 6, логические элементы ИЛИ 16, 17 входят в состав блока управления 6 и входы блоков управления 12, 13 полупроводниковых ключей 10, 11 соединены непосредственно с выходом блока управления 6.
В исходном состоянии схемы тиристоры в тиристорном выпрямителе 3 закрыты, два тиристора, например, 18, 23 соответствующие заданному начальному углу положения ротора относительно обмоток статора, открыты, ток в фазах электродвигателя отсутствует. Коммутационные аппараты 14, 15 включены. Полупроводниковые ключи 10, 11 закрыты. При поступлении команды на пуск электродвигателя 1 появляется ток возбуждения ротора, открываются тиристоры тиристорного выпрямителя 3 и в заданные фазы статора электродвигателя Ам и См, подается постоянный ток на уровне уставки токоограничения. В электродвигателе возникает крутящий момент, зависящий от величины заданного тока и пространственного положения ротора относительно результирующего вектора тока статора (меняется по синусоидальному закону). Под его воздействием ротор поворачивается на заданный угол.
При поступлении сигнала, например, от датчика положения ротора или от датчика потока на переключение тиристоров 18, 20 анодной группы инвертора 4 (тока фазы Ам на фазу Вм) углы управления тиристорами выпрямителя 3 переводятся в инверторный режим и встречно ЭДС самоиндукции фаз электродвигателя включается ЭДС сети. Ток в звене постоянного тока преобразователя частоты начинает снижаться. Одновременно с блока управления 6 тиристорным инвертором через логический элемент ИЛИ 17 и блок управления 13 тиристорным инвертором открывается полупроводниковый ключ 11 и ток электродвигателя, ранее протекавший через тиристоры 18, 23 начинает протекать через тиристор 23 тиристорного инвертора, замкнутый контакт коммутационного аппарата 14, открытый полупроводниковый ключ 11, диод 24 диодного моста 9 и замкнутый контакт коммутационного аппарата 15. Темп его снижения определяется величиной активного сопротивления фаз электродвигателя и величиной ЭДС, наведенной в обмотках статора при вращении магнитного поля ротора и обычно на порядок меньше темпа снижения тока в звене постоянного тока преобразователя частоты. Поэтому ток фаз электродвигателя на этом участке снижается незначительно. Незначительно снижается и крутящий момент на его валу.
После снижении тока в звене постоянного тока зависимого преобразователя частоты до нуля и закрытия тиристора 18 по сигналу с датчика проводимости тиристоров тиристорного выпрямителя 2 его углы управления вновь переводятся в выпрямительный режим и ток в звене постоянного тока и другой паре обмоток электродвигателя (фаз Вм и См) вновь нарастает до прежнего значения, а ток фазы Ам снижается до нуля. При дальнейшем повороте ротора электродвигателя переключаться должны тиристоры катодной группы инвертора 19 и 23. При этом должен быть открыт полупроводниковый ключ 10 и ток будет протекать по диоду 29 диодного моста 9.
После разгона электродвигателя до 5-7 Гц частоты тока ротора происходит переключение режима коммутации тока фаз электродвигателя тиристорами инвертора 3 с принудительной методом прерывания тока за счет ЭДС сети на естественную за счет ЭДС фаз электродвигателя, наводимых вращающимся полем ротора. При этом, контакты коммутационных аппаратов 14, 15 отключаются и дальнейший разгон электродвигателя до номинальной скорости происходит в штатном режиме.
На фиг.3 представлены в относительных единицах полученные на модели осциллограммы токов фаз и момента на валу при пуске электродвигателя СТДП - 5000, 5000 кВт, 10 кВ, 331 А (для скорости 0.08 nном) с обратным диодным мостом, а на фиг.4 - аналогичные осциллограммы без обратного диодного моста. Анализ осциллограмм показывает, что при коммутации тока двух фаз электродвигателя в устройстве с обратным диодным мостом ток в третьей фазе, остающейся в работе, и момент на валу электродвигателя снижаются не до нуля, а лишь на 25%, что значительно улучшает режимы работы зубчатой передачи.
Предлагаемое техническое решение предполагается использовать в устройствах безударного плавного пуска высоковольтных синхронных электродвигателей типа УБПВД-С, находящих широкое применение в электроприводах цементных мельниц, дробилок и прочих аналогичных механизмов с наличием статического момента на валу в процессе пуска.
1. Устройство для частотного пуска и регулирования скорости высоковольтного синхронного электродвигателя, содержащее зависимый преобразователь частоты со звеном постоянного тока, состоящий из тиристорного выпрямителя и тиристорного инвертора с блоками управления, сглаживающего дросселя, отличающееся тем, что введены обратный диодный мост, выполненный по трехфазной схеме выпрямления, полупроводниковые ключи, например тиристорные, блоки управления полупроводниковыми ключами, логические элементы или и коммутационные аппараты, один из которых соединяет через соответствующие введенные полупроводниковые ключи разнополярные входные и выходные зажимы постоянного тока тиристорного инвертора и обратного диодного моста, а другой - зажимы переменного тока обратного диодного моста и синхронного электродвигателя.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входные зажимы введенных логических элементов или соединены с блоком управления тиристорного инвертора, а выходные зажимы соединены с входами соответствующих блоков управления введенных полупроводниковых ключей.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что обратный диодный мост выполнен на напряжение, соответствующее уровню переключения тиристоров инвертора в режиме естественной коммутации тока фаз.
