Рекуперирующий электропривод переменного тока с двухзвенным преобразователем частоты
Владельцы патента RU 2584002:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный индустриальный университет" (RU)
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в частотно-регулируемом электроприводе переменного тока, в частности в грузоподъемных механизмах, и предназначено для рекуперации электрической энергии в питающую сеть в режиме генераторного торможения при спуске тяжелого груза. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет рекуперации электрической энергии в сеть независимо от напряжения на конденсаторе звена постоянного напряжения в режиме генераторного торможения двигателя. Электропривод, позволяющий рекуперировать электрическую энергию в питающую сеть в режиме генераторного торможения, содержит управляемый трехфазный мостовой выпрямитель, состоящий из полностью управляемого полупроводникового моста, на IGBT-транзисторах с обратными диодами; звено постоянного напряжения с конденсатором; инвертор напряжения; асинхронный двигатель; систему управления управляемым трехфазным мостовым выпрямителем. В каждое плечо управляемого трехфазного мостового выпрямителя введены IGBT-транзисторы с обратными диодами, соединенные встречно вентилям катодной группы управляемого трехфазного мостового выпрямителя. В цепь постоянного напряжения введены датчик тока и датчик напряжения. Для управления током рекуперации в режиме генераторного торможения введен блок управления током в систему управления управляемым трехфазным мостовым выпрямителем, в котором для предотвращения сквозных токов в режиме генераторного торможения предусматриваются логические элементы. 5 ил.
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в частотно-регулируемом электроприводе переменного тока, в частности в грузоподъемных механизмах.
В настоящее время широкое распространение получил рекуперирующий электропривод переменного тока с двухзвенным преобразователем частоты, выполненным по структуре: управляемый выпрямитель из шести диодно-транзисторных пар; звено постоянного напряжения из конденсаторов; инвертор напряжения; двигатель переменного тока (см., например, Семенов Б.Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011, с. 41-43).
Описанный выше вид рекуперирующего электропривода с двухзвенным преобразователем частоты выпускается ведущими фирмами в области электропривода, например Siemens (SINAMICS S120 Справочник по оборудованию (GH3), силовые части конструкции типа «шасси» выпуск 01.13, с. 33-34).
Основным звеном, обеспечивающим рекуперацию электрической энергии в сеть в режиме генераторного торможения, является управляемый выпрямитель из шести диодно-транзисторных пар (SINAMICS S120 Справочник по оборудованию (GH3), силовые части конструкции типа «шасси» выпуск 01.13, с. 118-135).
Основным недостатком подобного электропривода является возможность рекуперации электрической энергии в сеть в режиме генераторного торможения только при условии, когда напряжение на конденсаторе звена постоянного напряжения превосходит линейные напряжения сети, что объясняется структурой звена управляемого выпрямителя из шести диодно-транзисторных пар.
Известен электропривод переменного тока с силовым рекуперирующим преобразователем (патент US 20100052598, опубл. 04.03.2010), который содержитуправляемый выпрямитель из шести диодно-транзисторных пар; звено постоянного напряжения из конденсаторов; инвертор напряжения; входные реакторы; трехфазный источник переменного напряжения; асинхронный электродвигатель; блок синхронизации ключей трехфазного управляемого выпрямителя напряжения с питающей сетью; формирователи импульсов управления рекуперирующим преобразователем; датчик постоянного напряжения.
К недостаткам данного устройства-аналога относятся сложность системы формирования импульсов управления транзисторами управляемого выпрямителя и возможность рекуперации электрической энергии в сеть в режиме генераторного торможения только при условии, когда напряжение на конденсаторе звена постоянного напряжения превосходит линейные напряжения сети, что объясняется структурой звена управляемого выпрямителя из шести диодно-транзисторных пар.
В качестве прототипа выбран электропривод с генераторным торможением (патент РФ 2392729, опубл. 20.06.2010), состоящий из управляемого трехфазного мостового выпрямителя из диодно-транзисторных пар; ограничителя токов выпрямителя в составе ограничительного резистора и коммутатора с односторонней проводимостью в виде тиристора; звена постоянного напряжения из конденсаторов; трехфазного мостового инвертора; трех измерительных трансформаторов, вторичные обмотки которых образуют треугольник; резисторной звезды со средней точкой, трех инвертирующих повторителя напряжений; двух трехфазных выпрямителей; регулятора напряжения; шести узлов сравнения; трех формирователей импульсов управления. При этом средняя точка резисторной звезды соединена с общей шиной инвертирующих повторителей напряжений и узлов сравнения, а анод коммутатора соединен с выходом трехфазного мостового выпрямителя из диодно-транзисторных пар.
Недостатком прототипа являются потери энергии на ограничительном резисторе при рекуперации энергии в сеть и заряде конденсаторов звена постоянного напряжения, а также возможность рекуперации электрической энергии в сеть в режиме генераторного торможения только при условии, когда напряжение на конденсаторе звена постоянного напряжения превосходит линейные напряжения сети, что объясняется структурой звена управляемого трехфазного мостового выпрямителя из шести диодно-транзисторных пар.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей электропривода за счет рекуперации электрической энергии в сеть в режиме генераторного торможения независимо от напряжения на конденсаторе звена постоянного напряжения.
Для достижения указанного технического результата рекуперирующий электропривод переменного тока с двухзвенным преобразователем частоты, состоящий из управляемого трехфазного мостового выпрямителя из диодно-транзисторных пар, звена постоянного напряжения из конденсатора, трехфазного мостового инвертора, трех измерительных трансформаторов, трех формирователей импульсов управления, согласно изобретению снабжен датчиком напряжения звена постоянного напряжения, датчиком тока звена постоянного напряжения, системой управления управляемым трехфазным мостовым выпрямителем из диодно-транзисторных пар, тремя дополнительными транзисторами с обратными диодами, подключенными в управляемом трехфазном мостовом выпрямителе так, что каждое верхнее плечо управляемого трехфазного мостового выпрямителя состоит из встречно последовательного соединения двух транзисторов с обратными диодами, эмиттер одного из которых подключен к положительной шине звена постоянного напряжения, а эмиттер другого подключен к фазе источника переменного напряжения и коллектору транзистора нижнего плеча, каждое нижнее плечо состоит из одного транзистора с обратным диодом, подключенным эмиттером к отрицательной шине звена постоянного напряжения, при этом первичные обмотки трех измерительных трансформаторов соединены в звезду и подключены к фазам источника переменного напряжения, вторичные обмотки трех измерительных трансформаторов соединены в звезду с системой управления управляемым трехфазным мостовым выпрямителем из диодно-транзисторных пар, выходы которой через три формирователя импульсов подключены к управляющим входам транзисторов управляемого трехфазного мостового выпрямителем из диодно-транзисторных пар, датчик тока звена постоянного напряжения подключен в плюсовой шине последовательно между управляемым трехфазным мостовым выпрямителем из диодно-транзисторных пар и точкой соединения конденсатора звена постоянного напряжения и инвертор из диодно-транзисторных полумостов, датчик напряжения подсоединен параллельно конденсатору звена постоянного напряжения, при этом выходы датчика тока и напряжения звена постоянного напряжения подключены к системе управления управляемым трехфазным мостовым выпрямителем.
Между существенными признаками заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно осуществление в генераторном режиме электропривода рекуперации электрической энергии в питающую сеть, причем в отличие от аналогов и прототипа устранена общая точка соединения катодов обратных диодов верхних плеч управляемого трехфазного мостового выпрямителя с положительной шиной звена постоянного напряжения, наличие которой препятствует протеканию тока в генераторном режиме вследствие блокировки тока в точке соединения мостов, путем добавления дополнительных транзисторов с обратными диодами последовательно в плечи управляемого трехфазного мостового выпрямителя, позволяющего в режиме генераторного торможения проводить ток рекуперации независимо от напряжения на конденсаторе звена постоянного напряжения.
Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежами, на которых приведены:
Фиг. 1. Функциональная схема рекуперирующего электропривода переменного тока с двухзвенным преобразователем частоты.
Фиг. 2. Пример формирования импульсов заряда конденсатора звена постоянного напряжения.
Фиг. 3. Пример формирования импульсов управления транзисторами управляемого трехфазного мостового выпрямителя из диодно-транзисторных пар в режиме рекуперации энергии.
Фиг. 4. Функциональная схема системы управления управляемым трехфазным мостовым выпрямителем из диодно-транзисторных пар.
Фиг. 5. Функциональная схема узла ограничения тока рекуперации.
Предложенный рекуперирующий электропривод переменного тока с двухзвенным преобразователем частоты состоит из управляемого трехфазного мостового выпрямителя 1с шинами питания А, В и С, состоящего из диодно-транзисторных пар (2, 3), (4, 5), (6, 7), (8, 9), (10, 11), (12, 13), (14, 15), (16, 17), (18, 19); датчика 20 тока звена 21 постоянного напряжения 21 с конденсатором; датчика 22 напряжения звена постоянного напряжения; инвертора 23, подключенного к асинхронному двигателю 24; трех измерительных трансформаторов 25, 26, 27, вторичные обмотки которых соединены в звезду со средней точкой 28; системы управления 29 управляемым трехфазным мостовым выпрямителем 1; трех формирователей импульсов управления 30, 31, 32.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. В двигательном режиме напряжения питающей сети поступают на шины А, В, С и с помощью диодного моста (диоды 9-19 управляемого трехфазного мостового выпрямителя) преобразуются в постоянное напряжение, которое заряжает конденсатор звена 21 постоянного напряжения. Транзисторы 8-18 остаются закрытыми. Подача напряжения на разряженный конденсатор большой емкости эквивалентна режиму короткого замыкания. Для ограничения тока заряда конденсатора к управляемому трехфазному мостовому выпрямителю добавляем диодно-транзисторные пары (2, 3), (4, 5) и (6, 7). Управляя шириной импульсов, открывающие транзисторы 2, 4, 6 обеспечивают плавное нарастание напряжения на конденсаторе с последующей стабилизацией этого напряжения.
Процесс плавного заряда конденсатора звена постоянного напряжения 21 осуществляется следующим образом: формируются импульсы управления для транзисторов 2, 4, 6 в результате сравнения на компараторах 44, 46, 48 напряжения пилообразной формы от генератора пилообразного напряжения 43, 45, 47 (фиг. 4), синхронизированных с фазными напряжениями сети, с постоянным напряжением от регулятора 50 напряжения, снимаемого с зажимов конденсатора звена 21 постоянного напряжения. Напряжение регулятора 50 напряжения преобразует результат сравнения заданного напряжения UЗАД через задатчик интенсивности 49 с напряжением звена постоянного напряжения 21 от датчика напряжения ДН. Распределение импульсов в дальнейшем происходит в формирователе импульсов 30. При выходе задатчика интенсивности на Uзад осуществляется режим стабилизации напряжения конденсатора.
Пример формирования импульсов заряда конденсатора звена постоянного напряжения представлен на фигуре 2.
В режиме генераторного торможения рекуперация электрической энергии в сеть осуществляется за счет внешнего момента, направленного в сторону вращения ротора. Асинхронным двигателем индуктируется ЭДС, величина которой определяется скоростью вращения ротора и током намагничивания цепи статора. Индуктируемая ЭДС выпрямляется диодами инвертора 23 при закрытых транзисторах и подается на конденсатор звена 21 постоянного напряжения. Далее управляемый трехфазный мостовой выпрямитель из диодно-транзисторных пар 1 переходит в инверторный режим, при котором работают диоды 3, 5, 7 и синхронизированные с питающей сетью транзисторы 8, 10, 12, 14, 16, 18, при условии постоянно открытых транзисторах 2, 4, 6, что переведет управляемый трехфазный мостовой выпрямитель 1 в режим работы ведомого сетью инвертора.
Синхронизация с питающей сетью осуществляется следующим образом: напряжение питающей сети поступает на первичные обмотки измерительных трансформаторов напряжения 25, 26 и 27, вторичные обмотки которых соединены по схеме «звезда», полученные вторичные напряжения подаются в систему управления управляемым 29 трехфазным мостовым выпрямителем 1, где осуществляется формирования импульсов управления для транзисторов верхних 8, 10, 12 и нижних 14, 16, 18 плеч управляемого трехфазного мостового выпрямителя 1.
Пример формирования импульсов представлен на фигуре 3.
Формирование импульсов управления для транзисторов 14, 16, 18 осуществляется относительно напряжений UCA, UAB, UBC при их положительных значениях с длительностью 120 электрических градусов следующим образом. На вход блока линейных напряжений 33 (фиг. 4), подаются фазные напряжения со вторичных обмоток трансформаторов 25, 26, 27. Полученные в блоке 33 линейные напряжения подаются в узел синхронизации сигналов 34, на выходе которого формируются импульсы прямоугольной формы длительностью 120 электрических градусов синхронизированные с положительной полуволной линейного напряжения и подаются в формирователь импульсов 32. Формирования импульсов управления для транзисторов 8, 10, 12 осуществляется относительно напряжений Ua, Ub, Uc при их положительных значениях следующим образом:
На вход узла 35 синхронизации сигналов (фиг. 4) подаются фазные напряжения Ua, Ub, Uc со вторичных обмоток измерительных трансформаторов 25, 26, 27. Последующее распределение импульсов для транзисторов 8, 10, 12 происходит в формирователе импульсов 31, для исключения протекания сквозных токов через цепи транзисторов используются логические элементы ИЛИ-НЕ 37, 38, 39, запрещающие одновременную подачу импульсов управления на транзисторы верхнего и нижнего плеч. Например, в случае одновременной подачи высоких сигналов на верхние и нижние транзисторы управляемого трехфазного мостового выпрямителя верхний сигнал блокируется и т.д.
Известно, что просадки напряжения могут вызвать резкие скачки тока при рекуперации. Регулирования тока рекуперации осуществляется блоком управления током рекуперации 36 фигура 5, включающим два контура ограничения. Алгоритм работы первого контура: разница напряжений между линейными напряжениям сети UCA, UAB, UBC и напряжением на конденсаторе UДН звена постоянного напряжения через сумматор 51 подаются в компаратор 52 блока сравнения 53, где сравниваются с заданным напряжением. Как только разница напряжений становиться меньше заданного на выходе компаратора 52 формируются разрешающие импульсы управления соответствующим транзисторам. Далее через диодную логику 54, 55 импульсы поступают на транзисторные узлы 40, 41, 42 (фиг. 4), далее на усилители и формирователь импульсов 31.
Для получения симметричности форм синусоид напряжений источника питания введены блоки 56, 57, 58.
Алгоритм работы второго контура: Ток ограничения подается в контур ограничения по току 59, который состоит из компаратора 60, выход которого подключен к узлу шунтирования 61, при токе рекуперации выше чем уровень уставки на выходе компаратора 60 устанавливается высокий уровень, при этом выхода компараторов шунтируются. Регулирование тока рекуперации в данной схеме осуществляется непосредственно по току, в функции отсечки. Для устранения частых включений и отключений работающего компаратора в зоне уставки введен гистерезис, значение которого определяется резисторным делителем 64.
Рекуперирующий электропривод переменного тока с двухзвенным преобразователем частоты, содержащий управляемый трехфазный мостовой выпрямитель из диодно-транзисторных пар, звена постоянного напряжения из конденсатора, инвертора из диодно-транзисторных полумостов, средние точки которых образуют выходные клеммы для подключения двигателя, трех измерительных трансформаторов, трех формирователей импульсов управления, отличающийся тем, что снабжен датчиком напряжения звена постоянного напряжения, датчиком тока звена постоянного напряжения, системой управления управляемым трехфазным мостовым выпрямителем из диодно-транзисторных пар, тремя дополнительными транзисторами с обратными диодами, подключенными в управляемом трехфазном мостовом выпрямителе так, что каждое верхнее плечо управляемого трехфазного мостового выпрямителя состоит из встречно-последовательного соединения двух транзисторов с обратными диодами, эмиттер одного из которых подключен к положительной шине звена постоянного напряжения, а эмиттер другого подключен к фазе источника переменного напряжения и коллектору транзистора нижнего плеча, каждое нижнее плечо состоит из одного транзистора с обратным диодом, подключенным эмиттером к отрицательной шине звена постоянного напряжения, при этом первичные обмотки трех измерительных трансформаторов соединены в звезду и подключены к фазам источника переменного напряжения, вторичные обмотки трех измерительных трансформаторов соединены в звезду и с системой управления управляемым трехфазным мостовым выпрямителем из диодно-транзисторных пар, выходы которой через три формирователя импульсов подключены к управляющим входам транзисторов управляемого трехфазного мостового выпрямителем из диодно-транзисторных пар, датчик тока звена постоянного напряжения подключен в плюсовой шине последовательно между управляемым трехфазным мостовым выпрямителем из диодно-транзисторных пар и точкой соединения конденсатора звена постоянного напряжения и инвертора из диодно-транзисторных полумостов, датчик напряжения подсоединен параллельно конденсатору звена постоянного напряжения, при этом выход датчиков тока и напряжения звена постоянного напряжения подключены к системе управления управляемым трехфазным мостовым выпрямителем.
