«ЭПТОН-МТ»: реверсивный транзисторный электропривод постоянного тока


Транзисторные преобразователи «ЭПТОН-МТ» предназначены для управления электродвигателями постоянного тока при питании электропривода от промышленной сети 50 (60) Гц. Транзисторный электропривод «ЭПТОН-МТ» целесообразно использовать при высоких требованиях к точности и быстродействию регулирования скорости двигателей постоянного тока, а также при необходимости обеспечения высокого качества электроэнергии, потребляемой электроприводом постоянного тока из питающей сети (малые искажения напряжений и токов, высокий коэффициент мощности).

Структура силовых цепей

Основу преобразователей «ЭПТОН-МТ» составляет силовой транзисторно-диодный блок с входным и выходным фильтрами, схема которого изображена на рис. 1.

Рис. 1. Схема силового блока преобразователя «ЭПТОН-МТ»

Силовая схема преобразователя «ЭПТОН-МТ» содержит сетевой (входной) инвертор напряжения по трехфазной мостовой схеме и выходной регулятор постоянного напряжения по схеме Н-моста. В общее звено постоянного тока сетевого инвертора и выходного регулятора включен накопительный конденсатор НК (цепь предварительного заряда НК не показана). Трехфазный вход сетевого инвертора подключен к питающей сети 0,4 кВ (0,69 кВ) 50 Гц через «синусный» LC-фильтр (трехфазный дроссель Др1, фильтровые конденсаторы ФК). На выходе регулятора постоянного тока включен сглаживающий дроссель Др2. Такая структура силовых цепей позволяет преобразовать переменное напряжение питающей сети в регулируемое напряжение постоянного тока любой полярности и обеспечивает обмен энергией между сетью переменного тока и нагрузкой, что необходимо для построения быстродействующего электропривода.

Алгоритм работы

Сетевой инвертор обеспечивает стабилизацию напряжения на накопительном конденсаторе. Для управления сетевым инвертором используется алгоритм высокочастотной синусоидальной широтно-импульсной модуляции, который в совокупности с «синусным» LC-фильтром обеспечивает в питающей сети трехфазный ток синусоидальной формы. Частота и фаза основной гармоники входного тока совпадают с напряжением сети. При этом питающей сетью передается только активная мощность, определяемая активной мощностью нагрузки и потерями мощности в силовых цепях преобразователя. Выходной регулятор по схеме Н-моста осуществляет широтно-импульсное регулирование выходного напряжения и тока нагрузки за счет переключения транзисторов с высокой частотой. Высокая частота переключения транзисторов регулятора позволяет сгладить выходной ток относительно небольшой индуктивностью выходного дросселя Др2. Система управления преобразователем цифровая на базе микроконтроллера.

Регулирование активной мощности

В режиме потребления активной мощности нагрузкой преобразователя накопительный конденсатор разряжается отбираемым током выходного регулятора. Сетевой инвертор подзаряжает накопительный конденсатор за счет активной мощности, отбираемой из питающей сети. При этом в сети протекают синусоидальные токи, совпадающие по фазе с напряжениями сети. Этот режим соответствует двигательному режиму электропривода постоянного тока.

При переходе нагрузки в генераторный режим активная мощность из нагрузки передается выходным регулятором в промежуточное звено постоянного тока и подзаряжает накопительный конденсатор, что приводит к возрастанию его напряжения. Сетевой инвертор для стабилизации напряжения конденсатора его разряжает за счет передачи активной мощности в питающую сеть. При этом в сети протекают синусоидальные токи, сдвинутые относительно напряжений сети на 180 эл. градусов. Этот режим соответствует тормозному (генераторному) режиму электропривода постоянного тока, в котором активная мощность из нагрузки передается в питающую сеть.

Выходное напряжение и ток

Элементарный силовой блок преобразователя «ЭПТОН-МТ» (рис. 1), выполняется на низковольтных IGBT модулях производства фирмы MITSUBISHI и обеспечивает формирование на выходе постоянного напряжения не более 550В и тока в нагрузке не более 500А. При необходимости получения в нагрузке большего напряжения выполняется последовательное соединение нескольких элементарных блоков, получающих питание от гальванически не связанных обмоток согласующего трансформатора, либо применяются высоковольтные IGBT модули при большем выходном напряжении на вторичных обмотках трансформатора и увеличенном напряжении на накопительном конденсаторе. Для получения в нагрузке тока более 500А используется параллельное соединение элементарных блоков, либо используются высоковольтные IGBT модули, рассчитанные на большие токи. Использование параллельно-последовательного соединения элементарных блоков позволяет создавать преобразователи «ЭПТОН-МТ» на напряжения до 1500В и токи нагрузки до 6300А.

Электромагнитная совместимость и энергетические показатели

Электромагнитная совместимость преобразователя с электродвигателем постоянного тока обеспечивается за счет высокой частоты коммутации транзисторов выходного регулятора и установкой сглаживающего дросселя Др2 на выходе регулятора. Электромагнитная совместимость «ЭПТОН-МТ» с питающей сетью обеспечивается установкой «синусного» LC-фильтра между сетевым инвертором и сетью (согласующим трансформатором), а также за счет управления сетевым инвертором по закону синусоидальной широтно-импульсной модуляции, что обеспечивает синусоидальную форму тока в питающей сети. Формирование токов в сети, совпадающих по фазе с напряжениями сети обеспечивает передачу преобразователем «ЭПТОН-МТ» только активной мощности из сети в нагрузку и обратно.

Структурная схема электропривода постоянного тока

Транзисторный электропривод постоянного тока (рис. 2) содержит два преобразователя «ЭПТОН-МТ»: якорный преобразователь и преобразователь возбуждения. Система управления скоростью электродвигателя может выполняться как без датчика скорости, так и с датчиком скорости. Связь с внешней системой управления осуществляется через два последовательных интерфейса RS485 и RS232 (протокол MODBUS), а также с помощью блока релейной автоматики.



Рис. 2. Структурная схема электропривода с преобразователями «ЭПТОН-МТ»

Регулирование момента и скорости электродвигателя

Электропривод «ЭПТОН-МТ» позволяет регулировать скорость электродвигателя от нуля до номинальной с номинальным моментом на валу за счет якорного преобразователя при постоянном токе возбуждения. Выше номинальной скорость регулируется ослаблением поля с помощью регулятора возбуждения. Во всем диапазоне регулирования скорости электропривод «ЭПТОН-МТ» потребляет из питающей сети только активную мощность с синусоидальной формой тока в сети. Диапазон регулирования скорости в первой зоне регулирования без датчика 1:45. Двухзонное регулирование выполняется с датчиком скорости. Реверс направления вращения осуществляется как якорным преобразователем, так и по цепи обмотки возбуждения.

Многодвигательный электропривод

Преобразователи «ЭПТОН-МТ» позволяют управлять как однодвигательными, так и многодвигательными электроприводами. В многодвигательном электроприводе может выполняться последовательное соединение якорных цепей и обмоток возбуждения, а также независимое управление с функцией выравнивания токов и моментов электродвигателей.

Система управления

Цифровая микропроцессорная многофункциональная система управления на базе высокопроизводительного процессора цифровой обработки сигналов DSP56F8345. Формирование выходного напряжения преобразователя частоты осуществляется переключением IGBT-модулей с возможностью гибкого выбора частоты и алгоритма высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Частота ШИМ выбирается в диапазоне от 0,5 кГц до 20 кГц с шагом 0,1 кГц. Используется два универсальных цифровых последовательных канала (RS-485, протокол Modbus) для связи ПЧ с управляющими устройствами верхнего уровня. Встроенный контроллер верхнего уровня обеспечивает выполнение ряда сервисных функций, например, осуществляет обмен информацией с АСУ ТП.

Пример: Технические характеристики преобразователя «ЭПТОН-MТ-850»

Питающая сеть: Напряжение - 380В+10%-15%. Частота — 50(60) Гц. Входной коэффициент мощности — 1,0.

Цепь якоря постоянного тока: Номинальное постоянное напряжение — до 600В. Номинальный постоянный ток — до 850А. Номинальная мощность — до 500 кВт. КПД преобразователя — не менее 95%.

Цепь тока возбуждения: Номинальное постоянное напряжение — до 400В (тиристоры); до 600В (транзисторы). Постоянный ток — до 40А.

Массогабаритные показатели: Размеры (ШхВхГ) 800х2200х600 мм. Масса 250 кг.