РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ В КОМПЛЕКСЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С СИММЕТРИЧНОЙ СИСТЕМОЙ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
2.1. Обоснование симметрии структур преобразования переменного тока в электроприводах и анализ схем электрических фильтров, обеспечивающих требуемый уровень электромагнитной совместимости с питающей сетью и нагрузкой
В последние годы, в силу своей универсальности, симметричные структуры находят все большее применение в промышленных электроприводах и на транспорте ?64, 99, 100, 101?.
Структура обратимого ЭП переменного тока симметрированная автором на основании исследований, приведенных в разделе 1.2. данной работы представлена на рис. 2.1.
Анализируемая структура ЭП базируется на обратимом IGB-транзисторном выпрямителе и IGB-транзисторном инверторе , которые образуют собственно преобразователь частоты, тормозном чоппере U2, электрических фильтрах Z и асинхронном двигателе М ?115?.?
Выходное напряжение преобразователя формируется путем ШИМ питающего напряжения, осуществляемой IGB-транзисторами инвертора по синусоидальному закону.
ЭП позволяет реализовать двигательный и генераторный режимы асинхронной машины М. Генераторный режим используют для ускоренного торможения рабочего механизма. Данная электромеханическая система может реализовать любой вид торможения: резисторное, рекуперативное, динамическое и смешенное.
Рис. 2.1. Симметрированная автором структура обратимого электропривода переменного тока
где:
- источник переменного напряжения (питающая сеть);
U - контур преобразования электрической энергии;
- фильтры;
- обратимый выпрямитель;
- тормозной прерыватель (чоппер);
- инвертор;
- асинхронный электрический двигатель с короткозамкнутым ротором.
При резисторном торможении включается чоппер , при рекуперации энергии в сеть действуют IGB-транзисторы выпрямителя, при динамическом торможении инвертор подпитывает АД постоянным током.
Z1, Z2, Z3 - электрические фильтры, соответственно: входной, промежуточный и выходной.
При этом, технически эффективным и выгодным с экономической стороны, является использование архитектур строения "пасивных" электрических фильтров, состоящих с L и С элементов (LС-фильтров) ?109?.
Вместе с тем, применение пассивных фильтров, не исключает возможности использования при соответственном обосновании и так называемых активных фильтров ?51, 109-111?. Однако необходимо иметь в виду, что главный недостаток активных фильтров это относительно большая установленная мощность преобразователей, входящих в состав ЭФ. С учетом влияния на переходные процессы в сети, а также возможность возникновения "антирезонанса" на частотах близких к резонансным в результате изменения параметров сети и частотного спектра, использование активных фильтров в электроприводах лежит в области необходимой адресной оценки целесообразности их применения.
При необратимом выпрямителе входной фильтр защищает питающую сеть от индустриальных радиопомех, т.е. помех с частотой ?22, 121?, возникающих при включениях и отключениях IGB-транзисторов и диодов выпрямителя, от искажений синусоидальной формы напряжения сети при коммутациях диодов выпрямителя, повторяющихся с частотой . С другой стороны, фильтр способствует защите преобразователя от импульсов сверхнапряжения сети. В случае использования необратимых диодных выпрямителей защитные функции обычно выполняют дроссели, устанавливаемые в каждой входной фазе ?23, 25, 80?. Однако, при этом снижается коэффициент мощности, во избежание чего применяют фильтры , собранные по П-образной схеме, рис.2.2) ?64, 98?.
Но в случае использования обратимых IGB-транзисторных выпрямителей, П-образный фильтр применять нельзя, поскольку наличие конденсаторов С2 ведет к повреждению IGB-транзисторов. Кроме того, входные конденсаторы С1 фильтра должны быть супернадежными, чтобы выдерживать импульсы сверхнапряжения сети, что существенно удорожает установку. Единственный выход видится в применении Т-образной схемы фильтра, рис.2.2 в).
а)б)в)
Рис. 2.2. Схемы фильтров: а) П-образный фильтр, С1=С2=С;
б) Г-образный фильтр; в) Т-образный фильтр,
Промежуточный фильтр также защищает источник от индустриальных радиопомех, генерируемых при переключениях IGB-транзисторов и обратных диодов инвертора, а также от пульсаций тока и напряжения с частотой модуляции . Как видно, промежуточный фильтр частично дублирует функции входного фильтра, поэтому целесообразно защиту от индустриальных радиопомех, генерируемых как выпрямителем, так и инвертором, а также функцию сглаживания питающего тока возложить на входной фильтр, а за промежуточным оставить функцию сглаживания напряжения в цепи постоянного тока. Обычно промежуточный фильтр выполняют по Г-образной схеме при диодом выпрямителе и по
П-образной при наличии IGB-транзисторов, рис. 2.2 а), б). С учетом предлагаемого перераспределения функций фильтров из промежуточной цепи можно исключить дроссель и свести схему к единственному конденсатору.
Защиту удаленного АД от перенапряжений обычно осуществляют установкой дросселей в выходных фазах преобразователя и согласующего фильтра на зажимах АД или при помощи Г-образного фильтра
?35, 46, 98, 99, 100, 107, 122-124?. Первое решение вызывает возражения с точки зрения практики, поскольку установка согласующего фильтра непосредственно возле АД не всегда возможна по технологическим условиям.
Второе решение представляется как более рациональное, однако, не является универсальным. Тем более, что формирование синусоидального выходного напряжения СП с помощью Г-образного фильтра ведет к существенному увеличению габаритов и стоимости устройства, причем, синусоидальность напряжения обеспечивается только на номинальной (рабочей) частоте. Однако, Г-образная схема выходного фильтра может быть принята в качестве базовой для дальнейшего схемного усовершенствования. Это относится и к Т-образной схеме фильтра, которая позволяет, кроме того, унифицировать входной и выходной фи