RU2407141C1 - Frequency electric drive - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity. ^ SUBSTANCE: frequency electric drive is arranged on the basis of synchronous (asynchronous) AC machine and double-link frequency converter with controlled rectifier at network input and intermediate DC link at the output, to poles of which thyristor voltage inverter is connected with its inputs by means of parallel-connected filter, and this inverter is arranged by three-phase bridge circuit on single-operation thyristors of full capacity shunted with back diodes, and comprises device of artificial switching, necessary to switch power thyristors in mode of synchronous machine operation with lagging phase angles of current relative to voltage of stator windings. Device of artificial switching is arranged in the form of three-phase booster transformer and three-phase transistor voltage inverter with comparatively low capacity. ^ EFFECT: reduction of capacity and dimensions of artificial switching device compared to available devices of similar purpose. ^ 1 dwg

Description

Изобретение относится к преобразовательной технике, получающей применение в частотно-регулируемом электроприводе. Известны частотные электроприводы на основе синхронной (асинхронной) машины переменного тока с двухзвенными преобразователями частоты на базе управляемого нереверсивного выпрямителя (УВ) и автономного инвертора напряжения (АИН) (Энергетическая электроника. Справочное пособие. Пер. с нем. / Под ред. В.А.Лабунцова. М.: Энергоатомиздат, 1987, с.374-388). Особенностью преобразователей указанного типа является отсутствие принципиальных ограничений на мощность устройства, в связи с чем они получают применение в одно- и многодвигательных приводах компрессоров, насосов и вентиляторов в диапазоне мощностей от сотен до нескольких тысяч кВт. В связи с отсутствием альтернативы основной элементной базой мощных преобразователей до сих пор остаются однооперационные тиристоры. Известно, что переключение однооперационных тиристоров инвертора напряжения при питании от источника постоянного напряжения требует применения устройств искусственной коммутации (УИК). Широкое распространение получили конденсаторные устройства искусственной коммутации с отсекающими диодами. Наиболее близкое решение содержится в книге «Тиристорные преобразователи частоты в электроприводе». Под ред. Р.С.Сарбатова. - М.: Энергия. 1980 г. (стр.88).The invention relates to a conversion technique, which is used in a variable frequency drive. Known frequency electric drives based on a synchronous (asynchronous) AC machine with two-link frequency converters based on a controlled non-reversible rectifier (HC) and an autonomous voltage inverter (AIN) (Power electronics. Reference manual. Translated from it. / Ed. B.A. Labuntsova, Moscow: Energoatomizdat, 1987, p. 374-388). A feature of the converters of this type is the absence of fundamental restrictions on the power of the device, and therefore they are used in single and multi-motor drives of compressors, pumps and fans in the power range from hundreds to several thousand kW. In the absence of an alternative, single-operation thyristors still remain the main element base of powerful converters. It is known that switching single-operation thyristors of a voltage inverter when powered by a constant voltage source requires the use of artificial switching devices (PECs). Widespread artificial capacitor switching devices with cut-off diodes. The closest solution is contained in the book “Thyristor frequency converters in an electric drive”. Ed. R.S. Sarbatova. - M .: Energy. 1980 (p. 88).

Указанный аналог состоит из двухзвенного преобразователя частоты с управляемым выпрямителем на сетевом входе и промежуточным звеном постоянного тока на выходе, к полюсам которого посредством параллельно подключенного конденсаторного фильтра присоединен своими входами инвертор напряжения, выполненный по трехфазной мостовой схеме на однооперационных силовых тиристорах полной мощности, шунтированных обратными диодами, в комплекте с устройством искусственной коммутации, необходимым для переключения силовых тиристоров в режимах работы синхронной машины с отстающими фазовыми углами тока относительно напряжения статорных обмоток.The specified analogue consists of a two-link frequency converter with a controlled rectifier at the network input and an intermediate DC link at the output, to the poles of which, through a parallel-connected capacitor filter, a voltage inverter made by a three-phase bridge circuit on single-operational full power thyristors shunted by reverse diodes is connected , complete with artificial switching device necessary for switching power thyristors in slave modes You synchronous machine with a lagging phase angles relative to the current-voltage stator windings.

Наличие в составе УИК коммутирующих конденсаторов существенно увеличивает массогабаритные показатели и уменьшает реальный срок службы привода в целом. Совокупная установленная мощность L-C цепей в данных устройствах оказывается соизмеримой с мощностью силовых тиристоров. Наиболее благоприятные условия для решения данной задачи существуют в синхронных машинах, работающих с повышенным напряжением возбуждения. Известно, что данный прием ведет к уменьшению фазового сдвига тока относительно напряжения статорных обмоток и, соответственно, к уменьшению необходимой величины междуфазной коммутирующей ЭДС, создаваемой УИК. Данная особенность позволяет заменить коммутирующие конденсаторы в составе УИК вольтодобавочным трансформатором и вспомогательным транзисторным инвертором значительно меньших габаритов и установленной мощности.The presence of commuting capacitors in the PECs significantly increases the overall dimensions and reduces the actual service life of the drive as a whole. The total installed power of L-C circuits in these devices is comparable with the power of power thyristors. The most favorable conditions for solving this problem exist in synchronous machines operating with high excitation voltage. It is known that this technique leads to a decrease in the phase shift of the current relative to the voltage of the stator windings and, accordingly, to a decrease in the required value of the interfacial switching EMF created by the PEC. This feature allows you to replace the switching capacitors in the PEC with a booster transformer and an auxiliary transistor inverter of much smaller dimensions and installed power.

Технический результат - уменьшение мощности и габаритных показателей устройства искусственной коммутации.The technical result is a reduction in power and overall performance of the artificial switching device.

Для достижения технического результата предлагается устройство искусственной коммутации выполнить в виде трехфазного вольтодобавочного трансформатора и трехфазного транзисторного инвертора напряжения, имеющих сравнительно малую мощность, причем трехфазный транзисторный инвертор напряжения должен быть подключен своими входами к полюсам звена постоянного тока, а трехфазным выходом - к первичным обмоткам указанного трансформатора, каждая вторичная обмотка которого должна соединять одну из статорных обмоток машины переменного тока с одним из выходов тиристорного инвертора.To achieve a technical result, it is proposed that the artificial switching device be made in the form of a three-phase boost transformer and a three-phase transistor voltage inverter having a relatively low power, and the three-phase transistor voltage inverter must be connected with its inputs to the poles of the DC link, and the three-phase output must be connected to the primary windings of the specified transformer , each secondary winding of which must connect one of the stator windings of an AC machine with one of the outputs of the thyristor inverter.

На чертеже приведена схема частотного электропривода с предлагаемым устройством искусственной коммутации. Схема содержит управляемый выпрямитель 1, подключенный входами к фазам А, В, С питающей сети. К полюсам звена постоянного тока, образованным выходными зажимами управляемого выпрямителя, посредством параллельно соединенного конденсаторного фильтра 2 подключен своими входами тиристорный инвертор 3 напряжения в комплекте с обратными диодами 4. К выходным зажимам тиристорного инвертора 3 напряжения посредством последовательно включенных вторичных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора 5 подключены статорные обмотки машины 6 переменного тока. Указанный трехфазный вольтодобавочный трансформатор 5 своими первичными обмотками присоединен к выходным зажимам вспомогательного трехфазного транзисторного инвертора 7, входы которого подключены к указанным выше полюсам звена постоянного тока. Управляющие входы инверторов присоединены к выходам системы управления электроприводом 8, получающей входной сигнал ошибки регулирования системы путем сравнения задающего сигнала и сигнала обратной связи с датчика скорости 9.The drawing shows a diagram of a frequency electric drive with the proposed artificial switching device. The circuit contains a controlled rectifier 1, connected by inputs to the phases A, B, C of the supply network. To the poles of the DC link formed by the output terminals of the controlled rectifier, a thyristor inverter 3 of voltage complete with reverse diodes 4 is connected via its parallel inputs to the output terminals of the thyristor inverter 3 by means of series-connected secondary windings of a three-phase boost transformer 5 connected to the stator winding machine 6 ac. The specified three-phase boost transformer 5 is connected by its primary windings to the output terminals of the auxiliary three-phase transistor inverter 7, the inputs of which are connected to the above poles of the DC link. The control inputs of the inverters are connected to the outputs of the control system of the electric drive 8, receiving the input signal of the control error of the system by comparing the reference signal and the feedback signal from the speed sensor 9.

Работу устройства рассмотрим на одном из интервалов повторяемости процессов в установившемся режиме работы тиристорного инвертора. Для простоты рассуждений будем считать, что управление ключевыми элементами данного устройства происходит при длительности проводящего состояния вентилей λ=2π/3, согласно чему в проводящем состоянии в каждый момент времени будут находиться два тиристора: один - в катодной, а другой - в анодной группах тиристорного инвертора 3 напряжения. Тогда ток нагрузки будет протекать от положительного полюса звена постоянного тока к отрицательному полюсу по цепи, содержащей указанные тиристоры и две присоединенные к ним статорные обмотки машины 6. Для проведения коммутации в катодной группе тиристорного инвертора 3 напряжения необходимо, чтобы суммарное напряжение в цепи очередной фазы превышало аналогичное напряжение выходящей из работы фазы в статорных обмотках машины 6. Благодаря последовательному соединению статорных обмоток машины 6 и вторичных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора 5 каждое из указанных напряжений получается суммированием выходного фазного напряжения тиристорного инвертора 3 напряжения с фазным напряжением вольтодобавки одной из вторичных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора 5. Необходимую полярность напряжения вольтодобавки можно получить за счет фазового сдвига управляющих импульсов, подаваемых на транзисторы вспомогательного трехфазного транзисторного инвертора 7 и тиристоры тиристорного инвертора 3 напряжения. При указанном алгоритме переключений необходимо, чтобы максимум положительной полуволны напряжения вольтодобавки совпадал с точкой естественной коммутации на диаграмме фазных напряжений статорных обмоток машины 6. Как отмечалось, благодаря небольшому фазовому углу тока статорных обмоток синхронной машины величина вольтодобавки оказывается исчезающе малой, что обуславливает незначительность установленной мощности вновь вводимых элементов: трехфазного вольтодобавочного трансформатора 5 и вспомогательного трехфазного транзисторного инвертора 7.We will consider the operation of the device at one of the intervals of process repeatability in the steady-state operation mode of the thyristor inverter. For simplicity of reasoning, we assume that the key elements of this device are controlled when the conductive state of the valves is λ = 2π / 3, according to which there will be two thyristors in the conducting state at each moment of time: one in the cathode and the other in the anode groups of the thyristor inverter 3 voltage. Then the load current will flow from the positive pole of the DC link to the negative pole along the circuit containing the indicated thyristors and two stator windings of the machine 6. The voltage in the next phase circuit must exceed the total voltage in the next phase circuit in order to carry out switching in the cathode group of the thyristor inverter 3 the same voltage of the phase that goes out of work in the stator windings of the machine 6. Due to the serial connection of the stator windings of the machine 6 and the secondary windings of a three-phase voltodo for an avc transformer 5, each of these voltages is obtained by summing the output phase voltage of the thyristor inverter 3 voltages with the phase voltage of the voltage boost of one of the secondary windings of the three-phase voltage boost transformer 5. The necessary voltage polarity of the voltage boost can be obtained due to the phase shift of the control pulses supplied to the transistors of the auxiliary three-phase transistor inverter 7 and thyristors of a thyristor inverter 3 voltage. With the indicated switching algorithm, it is necessary that the maximum positive half-wave of the voltage of the voltage boost coincides with the point of natural switching on the phase voltage diagram of the stator windings of the machine 6. As noted, due to the small phase angle of the current of the stator windings of the synchronous machine, the voltage increase is vanishingly small, which leads to the insignificance of the installed power again input elements: three-phase booster transformer 5 and auxiliary three-phase transistor 7th inverter 7.

Аналогичным образом будут протекать процессы на других интервалах коммутации. В остальном работа электропривода не отличается от аналога и поэтому здесь не рассматривается.Similarly, processes will occur at other switching intervals. The rest of the operation of the electric drive does not differ from the analogue and therefore is not considered here.

Claims (1)

Частотный электропривод на основе синхронной (асинхронной) машины переменного тока и двухзвенного преобразователя частоты с управляемым выпрямителем на сетевом входе и промежуточным звеном постоянного тока на выходе, к полюсам которого посредством параллельно подключенного конденсаторного фильтра присоединен своими входами тиристорный инвертор напряжения, выполненный по трехфазной мостовой схеме на однооперационных силовых тиристорах полной мощности, шунтированных обратными диодами, а также устройство искусственной коммутации, необходимое для переключения силовых тиристоров в режимах работы синхронной машины с отстающими фазовыми углами тока относительно напряжения статорных обмоток, отличающийся тем, что устройство искусственной коммутации выполнено в виде трехфазного вольтодобавочного трансформатора и трехфазного транзисторного инвертора напряжения, имеющих сравнительно малую мощность, причем трехфазный транзисторный инвертор напряжения подключен своими входами к полюсам звена постоянного тока, а трехфазным выходом - к первичным обмоткам указанного трансформатора, каждая вторичная обмотка которого соединяет одну из статорных обмоток машины переменного тока с одним из выходов тиристорного инвертора. A frequency electric drive based on a synchronous (asynchronous) AC machine and a two-link frequency converter with a controlled rectifier at the network input and an intermediate DC link at the output, to the poles of which a thyristor voltage inverter made by a three-phase bridge circuit is connected to its poles by its inputs single-operational power thyristors of full power, shunted by reverse diodes, as well as an artificial switching device, necessary for switching power thyristors in synchronous machine operating modes with lagging phase angles of current relative to the voltage of the stator windings, characterized in that the artificial switching device is made in the form of a three-phase boost transformer and a three-phase transistor voltage inverter having relatively low power, and a three-phase transistor voltage inverter is connected its inputs to the poles of the DC link, and a three-phase output to the primary windings of the specified a transformer, each secondary winding of which connects one of the stator windings of an AC machine with one of the outputs of the thyristor inverter.