МАЛОВЕНТИЛЬНЫЙ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМ

Изобретение относится к преобразовательной технике, получающей применение в регулируемых электроприводах, и может быть использовано для упрощения силовых цепей частотно-регулируемых приводов переменного тока и минимизации количества силовых полупроводниковых ключей в их схемах.

В современных условиях развития индивидуального предпринимательства наиболее востребованными становятся малозатратные асинхронные электроприводы с применением минимального количества полупроводниковых ключей. Примером могут служить электроприводы с импульсным регулятором в цепях статорных обмоток асинхронного двигателя, для регулирования которого с помощью высокочастотной, создаваемой широтно-импульсным способом вольтодобавки, требуется минимальное (один-два) количество силововых транзисторных ключей (см., например: 1) Сидоров С.Н., Старостина Я.К. Пускорегулирующие устройства для асинхронного электропривода на диодно-транзисторных модулях. // Известия вузов Электромеханика. 2015, №4 (540), с. 42-50). 2) Патент РФ №2249895. H02J 3/00, H02M 5/00). К числу достоинств данных устройств следует отнести простоту исполнения при сохранении, благодаря высокочастотным переключениям, высокого качества напряжений и токов на сетевом входе и в статорных обмотках асинхронного двигателя. Наиболее близкое по технической сущности решение представлено в изобретении (см. Патент РФ №2294592. H02P 1/16).

Общие признаки прототипа и предлагаемого технического решения заключаются в наличии в статорных обмотках асинхронного двигателя регулятора импульсного напряжения, выполненного на основе трехфазного вольтодобавочного трансформатора с двумя соединенными по схемам звезды первичными обмотками и одной общей вторичной обмоткой, включенной последовательно с трехфазным сетевым источником питающих напряжений, имеющих чередование фаз А-С-В, и статорными обмотками асинхронного двигателя, причем обе первичные обмотки своими первыми выводами подключены к фазам сетевого источника таким образом, что первая из них оказывается присоединенной встречно, а вторая - согласно с сетевыми напряжениями, способствуя созданию в общей вторичной обмотке трансформатора с помощью первой обмотки встречного напряжения вольтодобавки с чередованием фаз А-С-В и с помощью второй обмотки -согласного напряжения вольтодобавки с чередованием фаз В-А-С, при этом нулевая точка звезды каждой из указанных первичных обмоток образована присоединением вторых выводов этих обмоток к зажимам переменного тока одинаково выполненных первого и второго трехфазных выпрямителей на диодах, между зажимами постоянного тока каждого из которых в проводящем направлении включен, соответственно, первый и второй силовые транзисторные ключи, каждый с параллельно присоединенной с помощью разделительного диода ЯС-цепью для защиты ключа от коммутационных перенапряжений.

Общие признаки предлагаемого способа управления и названного прототипа состоят в изменении частоты трех следующих друг за другом на периоде статорного напряжения подключений обмоток асинхронного двигателя к сетевому источнику с помощью последовательно соединенной вторичной обмотки трехфазного вольтодобавочного трансформатора с единичным коэффициентом трансформации, при этом подключения каждой из трех первичных обмоток вольтодобавочного трансформатора к фазам сетевого источника осуществляют с помощью индивидуального силового транзисторного ключа.

Недостаток данного решения состоит в ограниченных функциональных свойствах импульсного регулятора, не позволяющих использовать данное устройство для одновременного регулирования напряжения и частоты в составе частотно-регулируемых электроприводов переменного тока. В этой связи технический результат данного технического решения состоит в расширении функциональных возможностей за счет придания этому устройству свойств частотно-регулируемого электропривода.

Для достижения указанного технического результата в состав вольтодобавочного трансформатора вводится третья, соединенная по схеме звезды первичная обмотка, первыми выводами присоединенная к фазам сетевого источника питания для создания в общей вторичной обмотке указанного трансформатора согласного напряжения вольтодобавки с чередованием фаз С-В-А при этом нулевая точка звезды в схеме соединений третьей первичной обмотки выполняется аналогичным образом, предусматривающим присоединение вторых выводов этой обмотки к зажимам переменного тока третьего трехфазного выпрямителя на диодах, между зажимами постоянного тока которого в проводящем направлении включен третий силовой транзисторный ключ с параллельно присоединенной с помощью разделительного диода RC-цепью защиты от коммутационных перенапряжений.

Для достижения указанного результата способ управления заявленным устройством предлагается изменить таким образом, что бы каждое высокочастотное переключение первичных обмоток вольтодобавочного трансформатора на периоде сопровождалось изменением чередования фаз напряжений питающего источника, при этом для получения чередования фаз источника А-С-В все указанные транзисторные ключи при первом переключении на периоде выключают; при втором подключении для создания питающего напряжения с чередованием фаз В-А-С включают транзисторные ключи в цепях питания первой и второй из указанных первичных обмоток вольтодобавочного трансформатора, а при третьем подключении для создания напряжения питания с чередованием фаз С-В-А включают транзисторные ключи в цепях первой и третьей из числа указанных первичных обмоток вольтодобавочного трансформатора, причем для создания нулевых пауз в результирующем напряжении статора включают силовой транзистор в цепи первой и выключают силовые транзисторы в цепях второй и третьей из числа указанных первичных обмоток вольтодобавочного трансформатора.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого частотно-регулируемого электропривода, а на фиг. 2 - диаграммы напряжений U_a, U_b, U_c и токов i_a,i_b,i_c на выходе импульсного регулятора, поясняющие его работу на активно-индуктивную нагрузку при максимальном напряжении; на фиг. 3 - приведены аналогичные диаграммы, поясняющие работу при уменьшенном выходном напряжении. На фиг. 4 представлены результаты испытаний предлагаемого электропривода методом компьютерного моделирования в программе MatLab/Simulink.

Схема на фиг. 1 содержит асинхронный короткозамкнутый двигатель 1(AD), статорные обмотки которого а,b,с присоединены к сетевому источнику трехфазного напряжения питания (U_A,U_C,U_B) посредством последовательно встречно включенных вторичных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора 2(ВДТ). Данный трансформатор содержит три трехфазных первичных обмотки, каждая из которых соединена по схеме звезды. Своими первыми выводами эти обмотки присоединены к фазам сетевого источника таким образом, что бы первая из них была подключена встречно, а вторая и третья - согласно с фазными напряжениями сетевого источника для создания в общей вторичной обмотке указанного трансформатора с помощью первой обмотки встречного напряжения вольтодобавки -ΔU_a,-ΔU_c,-ΔU_b с чередованием фаз А-С-В, с помощью второй обмотки - согласного напряжения вольтодобавки +ΔU_b,+ΔU_a,+ΔU_c с чередованием фаз В-А-С и с помощью третьей обмотки - согласного напряжения вольтодобавки +ΔU_c,+ΔU_b,+ΔU_a с чередованием фаз С-В-А. При этом нулевая точка звезды каждой из первичных обмоток образована присоединением вторых выводов этих обмоток к зажимам переменного тока одинаково выполненных трехфазных диодных мостов 3(VD1), 4(VD2), 5(VD3) с подключенными на их выходах силовыми транзисторными ключами VT1,VT2,VT3 и защитными цепями R1-C1; R2-C2; R3-C3. Управление транзисторными ключами осуществляется с помощью устройства широтно-импульсного регулирования 6 (ШИР), состоящего из блоков ШИР1, ШИР2, ШИР3. Полагается, что выработка управляющих импульсов на выходах ШИР1,…3 происходит в моменты равенства опорного Хоп и управляющих Xyn1, Xyn2, Xyn3 сигналов.

Представленные на фиг. 2 диаграммы поясняют работу асинхронного двигателя (AD) на одной из частот (200 Гц) выходного напряжения регулятора максимального уровня. Основу регулятора составляет трехфазный вольтодобавочный трансформатор (ВДТ), вторичные обмотки которого включены последовательно с обмотками статора AD. С первичной стороны ВДТ имеется три трехфазных первичных обмотки, параллельное подключение которых к сетевому источнику питания происходит с помощью индивидуальных транзисторных ключей VT1,VT2,VT3, каждый из которых выполняет функции нулевой точки в цепях соединения первичных обмоток по схеме звезды. Полагается, что коэффициент трансформации ВДТ равен единице, поэтому встречное подключение первой из указанных обмоток к сети с помощью VT1 при условии выключенного состояния VT2,VT3 приведет к обнулению результирующего напряжения в статорных обмотках двигателя. Согласное подключение второй или третьей первичных обмоток с помощью VT2,VT3 к разным сетевым фазам при включенном VT1 способно привести к формированию результирующего трехфазного напряжения в статорных обмотках асинхронного двигателя с периодом, состоящим из трех тактов в работе транзисторных ключей. Из диаграмм на фиг. 2 видно, что выключенное состояние всех транзисторов на первом такте ведет к исчезновению вольтодобавки в общей вторичной обмотке трансформатора, поэтому напряжения статорных обмоток AD примут значения U_a=U_A, U_b=U_C, U_c=U_B. На втором такте включение VT1 и VT2 при выключенном состоянии VT3 приведет к изменению мгновенных напряжений статора U_a=U_B, U_b=U_A, U_c=U_C. Период формирования статорных напряжений завершится включением транзисторов VT1 и VT3 при выключенном VT2. Тогда напряжения статорных обмоток примут значения U_a=U_C, U_b=U_B, U_c=U_A. В установившемся режиме вращения двигателя с постоянной скоростью n=const указанные переключения транзисторов повторяются, а при изменениях скорости частоту переключений следует изменять. Видно, что указанные переключения способны привести к возникновению в статорных обмотках асинхронного двигателя симметричной системы фазных напряжений и токов, основные гармоники которых i_a1,i_b1,i_c1 как известно, участвуют в получении вращающегося электромагнитного поля. Известно, что регулирование скорости и электромагнитного момента асинхронных двигателей достигаются согласованным изменением частоты и величины напряжения статорных обмоток.

Представленные на фиг. 3 диаграммы дополняют картину частотного регулирования маловентильного асинхронного привода процессами изменения не только частоты, но величины выходного напряжения импульсного регулятора. Наиболее целесообразным в указанной схеме оказывается способ широтно-импульсного регулирования (ШИР), реализация которого должна осуществляться с помощью блоков ШИР1,…ШИР3 на высокой несущей частоте изменением длительности нулевых пауз Δt=var в составе выходного напряжения регулятора. Как следует из выше описанного принципа работы регулятора, получение паузы в фазных напряжениях статора U_a=U_b=U_c=0 обеспечивается без прерывания токов включением транзистора VT1 с одновременным выключением транзисторов VT2 и VT3.

Проверка работоспособности маловентильного частотно-регулируемого электропривода проведена путем компьютерного моделирования данного устройства в программе MatLab/Simulink. Представленные на фиг. 4 результаты моделирования отражают традиционный характер изменения напряжений и токов статорных обмоток, а так же скорости вала n(t) и электромагнитного момента M(t) в процессе пуска асинхронного двигателя, подтверждая эффективность предлагаемого технического решения.