CC BY
43
ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
УДК 621.314.58
И.И. Артюхов, Н.П. Митяшин, С.Ф. Степанов
АДАПТИРУЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС
Предложен гибкий преобразовательный комплекс для питания двигательной нагрузки на основе инвертора с изменяемой структурой. В режиме пуска двигателя нагрузки комплекс принимает состояние, совпадающее с инвертором напряжения, чем обеспечивается коммутационная устойчивость при значительных токовых перегрузках. При снижении тока до номинального схема принимает вид инвертора тока, благодаря чему достигается высокое качество питающего напряжения.
I.I. Artyukhov, N.P. Mityachin, S.F. Stepanov THE ADAPTABLE CONVERTING COMPLEX
The flexible converting complex for power supplies of asynchronous engines, built on the basis of the inverter with changeable structure is offered here. In a mode of start-up of the engine the complex accepts a condition conterminous to the voltage inverter with cutting diodes, than switching stability is provided at significant current overloads. At current reduction up to nominal the flexible circuit becomes the current inverter due to what high curve voltage quality is achieved.
Одной из дополнительных возможностей повышения эффективности оборудования является придание ему многоцелевого назначения как за счет универсальности элементов соответствующей системы, так и за счет ее структурной адаптируемости. Под этим понимается придание системе новых полезных свойств за счет изменения ее структуры без изменения состава элементов, либо с минимальным привлечением дополнительного оборудования.
В качестве примера рассмотрим инвертор с изменяемой структурой для питания двигательной нагрузки.
Классический параллельный инвертор тока обладает важным достоинством - высоким качеством кривой выходного напряжения. Это достигается за счет естественной фильтрации, осуществляемой конденсаторами коммутирующей батареи (КБ), включенной в данном случае параллельно нагрузке. Т аким образом, КБ в параллельном автономном инверторе тока (АИТ) играет тройную роль: коммутации, компенсации реактивной мощности нагрузки и фильтрации высших гармоник в кривой выходного напряжения. Наряду с указанным достоинством параллельный характер подключения КБ к нагрузке приводит и к наиболее су-
104
щественному недостатку инвертора - мягкой внешней характеристике, исключающей его непосредственное применение для питания резкопеременной нагрузки, каковой является асинхронный двигатель [1].
В связи с этим получили распространение автономные инверторы с отсекающими диодами [2] (далее ИОД), отличающиеся от классического АИТ двумя преимуществами. Во-первых, в них напряжение на выходе в значительно меньшей степени зависит от величины нагрузки. Во-вторых, мощность КБ в схеме ИОД имеет значительно меньшую величину, чем в базовой схеме АИТ. Однако кривая выходного напряжения ИОД существенно несинусоидальна из-за отсутствия фильтрующего действия КБ, отключенной от нагрузки в течение большей части периода выходной частоты.
Анализ упомянутых классов инверторов приводит к идее создания адаптируемой схемы, принимающей в зависимости от режима нагрузки состояние, совпадающее с одной из сравниваемых схем. В частности, такая схема в режиме пуска двигателя нагрузки могла бы принимать вид схемы с отсекающими диодами, обеспечивая значительные токовые перегрузки при ограниченной мощности КБ. При снижении тока до номинального адаптируемая схема принимает вид инвертора тока, обеспечивая высокое качество питающего напряжения.
Целесообразность построения такой схемы следует из близости элементного состава сравниваемых схем. Ядром предполагаемого адаптируемого инвертора в данном случае является состав схемы базовой АИТ за вычетом реактора в цепи источника питания, т.к. все его элементы входят и в схему ИОД. Элементами последнего, не входящими в схему базового АИТ, следует считать только отсекающие диоды, число которых равно 7. Наличие двойного комплекта КБ в схеме с отсекающими диодами можно считать несущественным, поскольку в большинстве случаев КБ набирается путем параллельного включения нескольких конденсаторов. С точки зрения массогабаритных показателей несущественным является и замена диодного обратного моста в схеме АИТ на тиристорный в схеме ИОД.
Схема адаптируемого инвертора, предложенного в [3], приведена на рис. 1. Помимо упомянутых элементов и узлов она содержит коммутационные элементы, назначение которых следует из дальнейшего изложения.
Для исследования работоспособности предложенной адаптируемой схемы разработана математическая модель, способная адекватно описать основные режимы каждой из обобщаемых схем, а также переходные режимы при переключениях, необходимых для преобразования одной из них в другую.
Имея в виду последовательность действий при создании адаптируемого устройства, отметим, что каждая из двух реализаций достаточно хорошо исследована с точки зрения их независимого функционирования. Однако для осуществления адаптируемого устройства необходимо знать, насколько соответствуют друг другу состояния инерциальных (реактивных) элементов при переходе устройства от одной своей реализации к другой.
Проблема состоит в том, что реактивные элементы, способные накапливать электромагнитную энергию, к моменту переключения реализации могут иметь значения токов (для индуктивностей) и напряжений (для конденсаторов), не совместимые с принципами работы вновь возникающей реализации. В этом случае приходится предусматривать промежуточные состояния устройства, во время реализации которых осуществляются необходимые изменения значений этих величин.
Рассмотрим переключение адаптируемого инвертора с реализации инвертора с отсекающими диодами (ИОД) к реализации инвертора тока (АИТ).
Моделирование инвертора по расчетной схеме рис.1 показывает, что токи реакторов Lc1 и Lc2 в реализации ИОД имеют импульсный, прерывистый характер. Это позволяет исключить проблему накопления электромагнитной энергии в индуктивных элементах. Для этого достаточно совместить момент переключения состояний с моментом коммутации очередного рабочего вентиля, к которому токи в реакторах спадают до нуля. Состояния конден-
саторов обеих конденсаторных батарей в исходной реализации можно проконтролировать по графикам, приведенным на рис. 2.
Рис. 1. Инвертор с изменяющейся структурой (А, В, С - выходные полюсы)
По оси абсцисс в рассматриваемых графиках откладываются номера интервалов п (т.е. 1/6 частей периода, отделяющих последовательные коммутации рабочих тиристоров).
В момент п0 происходит выключение рабочего вентиля Т4. Для этого напряжение на конденсаторе С5 к моменту коммутации должно быть отрицательным. После коммутации этот конденсатор перезаряжается от значения -ит до +ит. Одновременно конденсаторы той же нижней группы изменяют напряжение от 0 до +ит (для С6) и от +ит до 0 (для С4).
Следующая коммутация рабочего вентиля происходит уже после перехода преобразователя к реализации АИТ. Поскольку последовательность коммутаций рабочих вентилей не должна меняться при смене реализаций, следующим по порядку выключающимся вентилем должен быть тиристор Т1, для чего напряжение между его катодом и катодом заменяющего его вентиля Т3 должно быть положительным. Из графиков рис. 2 видно, что это условие обеспечено напряжением на конденсаторе С1 , которое имеет требуемую полярность.
Однако при переходе к реализации АИТ по идее, изложенной в [3], напряжение фазы и21 в инверторе тока будет обеспечиваться напряжением параллельно включенных конденса-106
торов С1 и С4, величина которого к моменту выключения Т1 равна 0. Непосредственное параллельное включение этих конденсаторов при смене реализаций привело бы к недопустимому броску зарядного тока.
Рис. 2. Сводный график токов и напряжений в процессе переключения (п1 - начало перезаряда конденсаторов С2 и С3, п2 - переключение структуры с инвертора напряжения на инвертор тока)
Рис. 3. Кривые переходного процесса после изменения структуры преобразователя (п3 - включение реактора 1_С)
Из работоспособных вариантов исключения такой ситуации можно предложить два. Первый из них возможен, если по состоянию нагрузки коммутационная устойчивость в первый период после смены реализации может быть обеспечена только верхней группой конденсаторов (Сь С2, С3). В этом случае конденсаторы нижней группы (С4, С5, С6) отключаются от преобразователя коммутаторами К (рис. 3), после чего разряжаются, а затем при необходимости увеличить емкость КБ подключаются параллельно конденсаторам верхней группы.
Второй вариант предполагает введение промежуточного подготовительного состояния адаптируемого инвертора, в течение которого производится обмен значениями напряжений на конденсаторах С4 и С5. Это достигается организацией цепи, показанной на рис. 4. Здесь приведен фрагмент схемы, содержащий конденсаторы нижней группы, коммутаторы на тиристорах Т* - Т6к, вспомогательную цепь из индуктивности Ь0 и тиристоров Т0 и Т0.
Перезаряд осуществляется при выключенном состоянии тиристоров Тк - Т6к после подачи
управляющих импульсов на тиристоры Т0 и Т0. В результате колебательного процесса перезаряда этих конденсаторов через половину периода собственной частоты возникающего контура Ь0, С4, С5 конденсаторы обмениваются значениями напряжений: конденсатор С5, имеющий начальное значение напряжения +ит, разряжается, а разряженный ранее конденсатор С4 заряжается до напряжения +ит. Благодаря наличию вентильных элементов в цепи контура перезаряда, колебания прерываются при прохождении тока индуктивности через нулевое значение. Тем самым включаемые параллельно друг другу пары конденсаторов С и С4, С2 и С5, С3 и С6 к моменту перехода к реализации АИТ имеют попарно равные значения напряжений, полярность которых обеспечивает коммутацию очередного тиристора в реализации АИТ. Промежуточное состояние адаптируемого инвертора можно осуществить сразу по завершении перезаряда конденсатора С5 после коммутации тиристора Т4. В промежуточном состоянии конденсаторы С4 и С5 должны быть отключены от остальной схемы инвертора вентильными коммутаторами Т1к - Т6к, закрывшимися после завершения коммутаций.
Рис. 4. Цепь перезаряда конденсаторов С4 и С5
На рис. 2 показаны результаты моделирования второго варианта перехода от ИОД к АИТ. Схема переведена в промежуточное состояние в момент П]. Как видно из графиков напряжений ис4 и ис5, к моменту замыкания тиристоров 28, осуществляющих перевод схемы к АИТ, процесс перезаряда конденсаторов С4 и С5 завершается. Таким образом, в рассматриваемом примере промоделирован переход от реализации ИОД, который существует при п<п1, к промежуточному состоянию инвертора (существует при п1<п<п2), а от него - к АИТ (существует при п>п2).
Хотя переход от одной реализации к другой возможен в конце любого интервала, с точки зрения минимизации коммутационной аппаратуры целесообразно проводить его каждый раз после выключения одного и того же тиристора при перезаряде одних и тех же конденсаторов, например тиристора Т4 и конденсаторов С4 и С5, как это рассмотрено выше.
В возникающей в момент п2 реализации АИТ, реакторы Ьс1 и Ьс2 по схеме рис. 1, игравшие ранее в реализации ИОД роль коммутационных индуктивностей, выполняют попеременно через интервал симметрии функции реактора в цепи постоянного тока и индуктивности в цепи компенсации реактивной мощности. Если индуктивности коммутационных и компенсационных реакторов в рассматриваемых схемах обычно близки по величине, то для индуктивности в цепи постоянного тока такой величины недостаточно, чтобы обеспечить в ней режим непрерывного тока. Именно это видно из графика тока (рис. 3), который в промежутке от п=п2 до п=п3 носит прерывистый характер. Недостатки такого режима известны, поэтому в момент п=п3 в инверторе снимается управление с тиристоров, шунтирующих дополнительный реактор 7, который вводится в цепь источника питания, чем обеспечивается режим его непрерывного тока.
Смысл применения рассмотренной адаптируемой схемы инвертора состоит в минимизации мощности конденсаторной батареи при обеспечении высокого качества кривой выходного напряжения. Низкое качество кривой имеет место только во время пуска двигателя, когда реализуется состояние ИОД, обеспечивающее, однако, высокую коммутационную устойчивость в условиях потребления большого пускового тока.
ЛИТЕРАТУРА
1. Стабилизированные автономные инверторы с синусоидальным выходным напряжением / Ф.И. Ковалев, Г.П. Мосткова, В.А. Чванов и др. М.: Энергия, 1972. 152 с.
2. Справочник по преобразовательной технике / И.М. Чиженко, П.Д. Андриенко, А.А. Баран и др. Киев: Техтка, 1978. 447 с.
3. А.с. 1700723 СССР, МКИ Н 02 М 7/515. Инвертор для питания двигателя / Н.П. Митяшин, И.И. Артюхов, В.А. Серветник // Открытия. Изобретения. 1991. № 47.
Артюхов Иван Иванович -
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий»
Саратовского государственного технического университета
Митяшин Никита Петрович -
доктор технических наук, профессор кафедры «Системотехника»
Саратовского государственного технического университета
Степанов Сергей Федорович -
кандидат технических наук,
докторант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий»
Саратовского государственного технического университета
