Преобразователь для питания электродвигателя
Сущность изобретения: для повышения коэффициента полезного действия в цепь каждой фазы обмотки электродвигателя, питающегося от инвертора напряжения, выполненного по мостовой или полумостовой схеме, последовательно включены сглаживающие дроссели, а параллельно фазам обмотки включены емкости. Это позволяет сглаживать высокочастотные пульсации фазных токов на выходе инвертора, работающего в режиме ШИМ, и снизить потери в стали магнитопровода.
Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям постоянного напряжения для питания асинхронных, синхронных и индукторных двигателей и может быть использовано в регулируемых электроприводах компрессоров, насосов, вентиляторов и т.п.
Известны преобразователи постоянного напряжения, предназначенные для питания электродвигателей переменного тока и состоящие из входного преобразователя - регулятора напряжения и выходного преобразователя постоянного напряжения в переменное - инвертора. (Электровозостроение. Сб. науч. тр. ОАО «Всероссийский н.-и. и проектно-конструкт. институт электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ»), 1998, т.40, стр.78-90, 221-230).
Входной преобразователь постоянного напряжения содержит один или и два управляемых полупроводниковых ключа, соединяемых последовательно с дросселем и подключенных к сети постоянного тока, один или два обратных диода и накопительную емкость и выполняет функцию регулирования величины напряжения, поступающего на вход инвертора. Инвертор в зависимости от числа фаз содержит два и более управляемых полупроводниковых ключа на каждую фазу двигателя, собранных по мостовой или полумостовой схеме в зависимости от типа двигателя, и формирует кривую выходного напряжения путем соответствующей коммутации ключей.
Недостатком известного преобразователя является двойное преобразование электрического напряжения, что приводит к увеличению количества полупроводниковых элементов, а следовательно к увеличению стоимости преобразователя и электрических потерь в нем. Увеличение количества полупроводниковых элементов приводит к увеличению количества отказов и к снижению надежности преобразователя.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является преобразователь постоянного напряжения в переменное - автономный инвертор напряжения (АИН), предназначенный для питания двигателей переменного тока и содержащий полупроводниковые ключи, собранные по мостовой или полумостовой схеме, подключенные к питающей сети через фильтрующую емкость. (Рязанов Ю.К. Основы силовой электроники. - М. : Энергоатомиздат, 1992 г.).
АИН, работающий в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ), осуществляет формирование и регулирование напряжения, поступающего на фазные обмотки двигателя в виде импульсов определенной полярности, длительности и частоты. Требуемая форма кривой выходного напряжения АИН достигается изменением числа и длительности выходных импульсов путем соответствующей коммутации ключей.
Недостатком является низкий коэффициент полезного действия электропривода с использованием АИН из-за наличия в кривой фазного тока высокочастотной составляющей, обусловленной коммутацией ключей в режиме ШИМ и вызывающей существенные потери в стали магнитопровода двигателя и преобразователе. Так, например, частота пульсаций кривой тока индукторного двигателя, подключенного к АИН, составляет 20 кГц и более.
Задачей настоящего изобретения является повышение коэффициента полезного действия электропривода путем снижения пульсаций выходного тока преобразователя.
Указанная задача решается тем, что в известном преобразователе, содержащем полупроводниковые ключи, собранные по мостовой или полумостовой схеме, подключенные к сети постоянного тока и к фазной обмотке двигателя, в цепь фазы обмотки последовательно включены сглаживающие дроссели, а параллельно фазе обмотке включена емкость.
Сущность изобретения состоит в том, что применение в известном преобразователе индуктивно-емкостного фильтра позволяет существенно
уменьшить высокочастотные пульсации фазного тока создаваемые ШИМ инвертора напряжения, снизить потери в стали магнитопровода и повысить коэффициент полезного действия электропривода примерно на 2...4%. Положительный эффект предлагаемого преобразователя с фильтром в цепи переменного тока на выходе инвертора подтверждается стендовыми испытаниями макетных образцов двигателей различной мощности. Так, например, коэффициент полезного действия асинхронного электропривода, за счет применения предложенного преобразователя мощностью 1,5 кВт увеличился с 80% до 84%.
На рисунке изображена принципиальная схема предложенного преобразователя для питания 3-х фазного индукторного двигателя, где: 1 - емкостный фильтр; 2...7 - транзисторные ключи; 8...13 - обратные диоды; 14...19 - сглаживающие дроссели; 20...22 - емкости; 23 - фаза U; 24 - фаза V, 25 - фаза W.
При работе преобразователя подача напряжения, например, на фазу U (поз.23) производится одновременным открытием транзисторов 2 и 3 и ток в обмотке нарастает до достижения заданной верхней уставки «токового коридора». Затем один из транзисторов 2 или 3 закрывается и ток в фазной обмотке спадает через обратный диод 8 или 9 до достижения заданной нижней уставки. затем закрытый транзистор снова открывается и ток нарастает до значения верхней уставки. Таким образом осуществляется поддержание фазного тока двигателя на заданном уровне в пределах «токового коридора». Частота коммутации транзисторов и частота пульсаций тока зависят от ширины «токового коридора». Для сглаживания высокочастотных пульсаций тока в фазе индукторного двигателя используются два дросселя 14 и 15 и емкость 20. Для уменьшения помех радиоприему вместо дросселей 14 и 15 применяется один двухобмоточный дроссель со встречным включением обмоток. Для питания 3-х фазного асинхронного двигателя, фазы которого соединены
в звезду с общей нулевой точкой, используется преобразователь с одним включенным в каждую фазу сглаживающим дросселем.
На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый нами преобразователь отвечает критериям «Новизна», «Изобретательский уровень», «Промышленная применимость» и может быть защищен патентом Российской Федерации.
Преобразователь для питания электродвигателя, содержащий полупроводниковые ключи, собранные по мостовой или полумостовой схеме, подключенные к сети постоянного тока через емкостной фильтр и к фазной обмотке двигателя, отличающийся тем, что в цепь фазы обмотки последовательно включены сглаживающие дроссели, а параллельно фазе обмотке включена емкость.
