CC BY
8
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 145
1966
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ КОЛЛЕКТОР В СХЕМАХ ЭЛЕКТРОМАШИННОГО ИНВЕРСИРОВАНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
Э. Ф. ОБЕРГАН, А. И. СКОРОСПЕШКИН
(Рекомендовано семинаром кафедр электрических машин и общей электротехники)
В автоматизированном электроприводе переменного тока наилучшими технико-экономическими показателями обладают системы, построенные на 'использовании частотного метода регулирования скорости исполнительного двигателя.
В качестве источников переменного тока регулируемой частоты б подобных системах широко известны инверторы и преобразователи па транзисторах и тиристорах.
Одна из наиболее совершенных схем инвертора приведена на рис. 1, однако широкое распространение их па практике ограничено следующими им присущими недостатками:
Рис. 1. Принципиальная электрическая схема независимого
инвертора.
1. В пусковом режиме двигателя Д, так же как и в тормозном режиме, не обеспечивается надежная работа тиристоров. В ряде случаев эти режимы являются для схемы аварийными.
2. Несинусоидальная форма кривой напряжения и тока на выходе инвертора с большим коэффициентом искажения формы кривой.
3. Снижение к. п. д. вследствие необходимости включения в цепь постоянного тока дросселя с большой индуктивностью.
4. Диапазон изменения частоты ограничен вследствие необходимости пропорционального с изменением частоты изменения напряжения питания,
5. Для обеспечения работы схемы в практически приемлемом диапазоне изменения соэф нагрузки приходится применять дополнительный выпрямитель обратного тока.
При необходимости получения источника переменного тока регулируемой частоты в системах, питаемых от трехфазной сети, используются схемы преобразователей, вариант тиристорной силовой части которых приведен на рис. 2.
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема силовой ступени преобразователя частоты с питанием от сети переменного тока.
Основные недостатки подобных схем включают перечисленные в и. 1. 2, 4 недостатки инверторных схем и дополнительно следующие:
1. Громоздкая и сложная система управления тиристорами.
2. Невозможность получения без значительного усложнения схемы и конструкции заключающегося в осуществлении промежуточных преобразователей практически приемлемого диапазона регулирования выходной частоты, так как верхний предел регулируемой выходной частоты составляет не более 0,2 — 0,25 от частоты питания.
В значительной степени избежать указанных недостатков можно, применяя комбинированные электронно-машинные схемы инверторов и преобразователей.
В этом случае, в качестве электромашиииой части используется трансформатор, выполненный па кольцевом магнитопроводе, одна часть которого (рис. 3) выполнена зубчатой, а другая в виде гладкого цилиндра.
В пазы магнитопровода закладываются две обмотки, одна из которых, первичная, выполнена в виде якорной обмотки с выводами от секций, а другая, вторичная, выполнена в виде трехфазной (в общем случае т-фазной) обмотки электрической машины.
В некоторых случаях можно ограничиться одной первичной обмоткой, тогда выходное напряжение, например 3-фазное, снимается с трех выводов, расположенных под углом 120°. Электронная часть представляет собой полупроводниковый коллектор (коммутатор), соединенный с выводами обмотки.
В качестве примеров рассмотрим электронно-машинные схемы преобразователя переменного тока фиксированной частоты в переменный ток регулируемой частоты и инвертора с регулируемой частотой на выходе.
Рис. 3. Схема конструкции кольцевого трансформатора с электромашинной обмоткой.
П'р и м ер 1. Принципиальная электрическая схема преобразователя приведена на рис. 4. Через клеммы А1В1С1 обмотка питается от
трехфазного источника переменного тока фиксированной частоты. Токи, протекающие по обмотке, создают -вращающееся магнитное поле, пересекающее витки обмотки и наводящее в ней трехфазную систему э.д.с.
Вьиводы обмотки соединены с группами тиристоров ПВ. Каждая группа ПВ включает в себя теристоры, соединенные каждый с опр ед е л е н и о й фазой т- фа зн о й системы выходного напряжения.
В данном примере каждая группа ПВ состоит из трех тиристоров, так как с клемм А2В2С2 снимается трехфазное напряжение.
Способ соединения тиристоров с выводами обмотки и шинами трехфазной выходной цепи показан на рис. 5.
Для обеспечения симметричного трехфазного напряжения в выходной сети А2В2С2 -в каждый
Рис. 4. Принципиальная электрическая схема преобразователя с полупроводниковым коллектором.
момент времени должны быть открыты только три тиристора, каждый из которых соединен с одной из шин А2В2С2 и одним из трех выводов обмотки, расположенных под углом 120°.
Управление тиристорами осуществляется от кольцевой пересчетной схемы, питаемой от задающего генератора переменной частоты. Каждая ячейка пересчетной схемы питает управляющие электроды одновременно трех тиристоров.
Рис. 5. Электрическая схема соединения ячеек полупроводникового коллектора преобразователя с обмоткой и шинами выходной сети.
Если первый управляющий импульс от пересчетной схемы открывает тиристоры
ЯВМ; ПВ^- + 1 ^ В и ПВ + 1 ^ С,
где п — число выводов обмотки, то следующий управляющий импульс от сменной ячейки пересчетной схемы открывает тиристоры
ПВЫ; ПВ + 21 В и ПВ + 2 ] С
и так далее. 184
Запирание открытого тиристора при открывании следующего по порядку тиристора рассмотрим на примере тиристоров ПВ\А и Я£>2д.
При подаче управляющего импульса на тиристор ПВ2А последний открывается и при наличии напряжения между точками обмотки,
соответствующими выводам ПВ2\ ПВ -[- 21 и ПВ ,
первичная обмотка коммутирующего трансформатора ТК-2А оказывается под напряжением.
Со вторичной обмотки трансформатора ТК2А напряжение подается на первичную обмотку трансформатора ТК]А таким образом, чтобы минус указанного напряжения прикладывался к аноду тиристора.
Принимая но внимание, что при открытом тиристоре ПВ\А напряжение па обкладках конденсатора, включенного в диагональ моста, параллельно тиристору Г1В\А и первичной обмотке трансформатора ТК\А, значительно .меньше э. д. е., индуктируемой во вторичной обмотке трансформатора ТЛЬд, то указанная э. д. с. оказывается приложенной через конденсатор к тиристору ПВ\А в обратном направлении, т. е. в направлении запирания этого тиристора.
При соответствующем расчете трансформатора ГЛЬд, обеспечивающем значение индуктированной во вторичных обмотках э. д. с. большей, чем э. д. е., наводимой в части обмотки заключенной между смежными выводами, после включения тиристора ПВ2А тиристор ПВ)А запирается.
Аналогично работают все другие тиристоры.
В результате последовательного переключения групп тиристоров с частотой, пропорциональной частоте /упр задающего генератора,
частота /2 выходного напряжения на клеммах Л252С2 равна
/, = + ,
п
где /¡ — частота питающей сети А\В\С\.
Амплитуда выходного напряжения при любой частоте равна амплитуде входного напряжения.
Пример 2. Принципиальная схема инвертора представлена на рис. 6.
В данном случае каждая группа ПВ состоит из двух тиристоров „в," один из которых соединен с шиной „ + " питающего напряжения, а другой — с шиной „ —
Схема управления тиристорами В построена так, что в каждый данный момент времени, исключая периоды коммутации, открыты только два тиристора В, соединенных с разнополярными шинами питания и расположенных в группах ПВ, соединенных с диаметрально противоположными выводами обмотки 1^1.
При подаче напряжения £/пнт по обмотке протекает постоянный ток, обусловливающий в магнитопроводе постоянный во времени и определенным образом ориентированный магнитный поток.
Работу схемы рассмотрим на примере работы двух пар ПВ, связанных с диаметрально расположенными секциями обмотки И/Гь принципиальная электрическая схема которых приведена на рис. 7.
Если в начальный момент времени являются открытыми и проводят ток тиристоры В1 В2, то по обмотке XV, протекает ток
■ _ ^пит
£ ■ —— ^
я
Здесь Я — омическое сопротивление двух параллельных ветвей обмотки замеренное в точках айв.
Вследствие постоянства во времени и в пространстве магнитного потока, создаваемого током ¿, в обмотке Ш2 не будут находиться э. д. с. и соответственно протекать токи.
Управление тиристорами также осуществляется импульсами тока, снимаемыми с кольцевой пересчетной схемы, питаемой задающим генератором.
При подаче управляющего импульса на следующие по порядку, т. е. смежные с В\ и В2 тиристоры В3 и В.и наступает период коммутации тока с выводов а и е на выводы а1 и в1 обмотки
При этом конденсаторы С]3 и С2!, разряжаясь через открытые тиристоры Вь и В2, Вобеспечивают условия запирания тиристоров ВI и В2. Наличие диодов ДХД2ДЪ и Д.\ предотвращает разряд конденсаторов С]з и С24 на секции
При поступлении следующего управляющего импульса открываются следующие по порядку тиристоры, смежные с тиристорами В3 и Вкоторые при этом запираются и т. д.
Последовательное включение закрытых и запирание смежных ранее открытых тиристоров приводит к перемещению точек подключения питающего напряжения к обмотке вдоль этой обмотки.
Поскольку направление оси магнитного потока, образуемого током, протекающим по обмотке совпадает с осью, проходящей через точки подключения напряжения £УГштп к обмотке то перемещение точек подключения вызывает поворот в пространстве постоянного магнитного потока.
Скорость вращения магнитного потока определяется скоростью переключения групп ПВ, что в свою очередь определяется частотой задающего генератора и числом групп ПВ, равным числу выводов обмотки
Вращение постоянного магнитного потока в пространстве приводит к индуктированию в обмотке \У2 э. д. с. и обеспечивает на выходе инвертора трехфазное напряжение £/вых синусоидальной формы.
Рис. 6. Принципиальная электрическая схема электронном а шинного инвертора с полупроводниковым коллектором.
/ У ^
Пыт +
в,
ч
пв
Д8
Н1
{Ь
7Г |
? п&I ?
/
2<г
ННг
Г1
I Ж^У^
Рис. 7. Электрическая схема соединения ячеек полупроводникового коллектора инвертора с обмоткой и источником питания
Выводы
Применение полупроводникового коллектора в схемах электрома-шшшого ииверсирования и преобразования позволяет получить пределы регулирования частоты выходного напряжения от нуля до нескольких сотен герц. Верхний предел выходной частоты ограничивается временем восстановления управляющих свойств тиристоров и не зависит от источника питания схемы.
Регулирование выходной частоты значительно упрощено при любом характере нагрузки.
Работа схемы инвертора исключительно надежна, в частности, даже при полном коротком замыкании вторичной обмотки, ток в первичной обмотке и, следовательно, через тиристоры не превысит поминальной величины, определяемой омическим сопротивлением обмотки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ш. И. Л у т и л з е. Полупроводниковая коммутация электрических машин. СО. «Режимы работы электросистем и реп'лирование синхронных машин», Издательств.: Наука, 1964.
2. Ш. И. Лутидзе. Управления и схемы электрических машин с управление:/, полупроводниковым коммутатором. Известия АН СССР, № 6, 1964.
3. И. Л. Каганов. Электронные н ионные преобразователи, ч. III, ГЭИ. 1956.
4. Ш. И. Лутидзе. Электрические машины с управляемым полупроводниковым коммутатором. АН СССР, Электроэнергетика, вып. 5, 1962.
