ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С АВТОНОМНЫМ ИНВЕРТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ И УПРАВЛЯЕМЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

ДЛЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Функцию преобразования параметров электрической энергии питающей сети к таким значениям, которые необходимы для нормальной работы приводного двигателя, а также функцию дозирования электрической энергии, подводимой к двигателю, для регулирования его скорости выполняет преобразовательное устройство.

В системах регулируемого электропривода находят применение все основные типы преобразовательных устройств: выпрямители, преобразующие переменное напряжение в постоянное; инверторы, осуществляющие обратное выпрямителям преобразование энергии; непосредственные преобразователи частоты; регуляторы переменного и постоянного напряжений, обеспечивающие преобразование уровня напряжения без изменения его частоты.

В системах частотного регулирования используются непосредственные преобразователи частоты (НПЧ), преобразующие переменное трехфазное напряжение сети в трехфазное напряжение, значение и частота которого могут регулироваться независимо друг от друга. Несмотря на ряд достоинств (использование низкочастотных тиристоров, высокий КПД, легкость получения обратного направления передачи энергии), НПЧ имеют и существенные недостатки. К последним следует отнести сложность схемы силовых цепей, ограниченный диапазон изменения выходной частоты, повышенную чувствительность к качеству напряжения сети, значительное искажение формы выходного напряжения, низкое значение коэффициентов мощности. Отмеченные недостатки ограничивают применение этих преобразователей.

Другим типом преобразователей частоты является двухступенчатое преобразовательное устройство, выполненное на основе выпрямителя

трехфазного переменного напряжения сети и автономного инвертора, пре-образующего выпрямленное напряжение в переменное трехфазное с регу-лируемой частотой и амплитудой. Несмотря на двухкратность преобразования энергии и обусловленное этим некоторое снижение КПД, такие преобразо-ватели частоты (с промежуточным звеном постоянного тока) получили наибольшее распространение в различных типах электроустановок.

В качестве автономных инверторов в системах частотно-регулируемого электропривода переменного тока находят применение автономные инверторы тока (АИТ) и напряжения (АИН). Автономный инвертор тока, формирующий в нагрузке кривые выходного тока, обычно используется вместе с управляемым тиристорным выпрямителем, который регулирует значение входного тока инвертора, определяя тем самым амплитуду выходных токов. Главными достоинствами преобразователей частоты с АИТ является возможность использования обычных тиристоров и легкость осуществления обратного преобразования энергии — от двигателя через АИТ и управляемый выпрямитель (который при этом переводится в режим зависимого инвертора) в питающую сеть. К основным недостаткам следует отнести: низкий коэффициент мощности на выходе, несинусоидальность выходных напряжений и токов, ограниченность диапазона регулирования выходной частоты и допустимых изменений параметров нагрузки.

Более широкое распространение получили двухступенчатые преобразователи частоты на основе АИН. В отличие от АИТ, содержащего на своем входе в цепи постоянного тока индуктивность, обязательным элементом на входе АИН является параллельно включенная емкость. Поэтому в результате подключений полупроводниковыми ключами этой емкости к выходным зажимам АИН осуществляется формирование кривых напряжения нагрузки. При использовании неуправляемого выпрямителя обеспечивается высокое значение коэффициента мощности на входе, а регулирование значения выходного напряжения может осуществляться методом широтно-импульсного регулирования (ШИР) или более совершенным методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Таким образом, оптимальную по энергетическим показателям и по регулировочным и механическим характеристикам структуру современного

частотно-регулируемого асинхронного электропривода следует выполнять на основе преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока (рис. 2.1), состоящего из выпрямителя В с индуктивно-емкостным фильтром постоянного напряжения и автономного инвертора напряжения АИН, построенного на силовых транзисторах типа IGBT и формирующего основную гармонику выходного напряжения методом широтно-импульсной модуляции. При построении системы необходимо рассмотреть возможности ее работы не только в двигательном, но и тормоз-ном режимах. Тормозной режим может быть осуществлен по принципу динамического торможения при питании обмоток статора двигателя постоянным током от АИН. Когда эффективность такого торможения оказывается недостаточной, можно использовать принцип генераторного торможения с передачей активной мощности через АИН в цепь постоянного тока преобразователя частоты. Поскольку передача энергии в сеть через неуправляемый выпрямитель невозможна, для предотвращения недопу-стимого повышения напряжения на емкости фильтра постоянного тока ее разряжают с помощью транзисторного импульсного регулятора на специ-альный тормозной резистор. Если энергия, отдаваемая двигателем в тормозных режимах, велика, и целесообразно обеспечить ее передачу в сеть переменного тока, то должен использоваться управляемый выпрямитель. Благодаря свойству обратимости по направлению преобразования энергии, на выходе преобразователя частоты может использоваться транзисторный АИН с ШИМ. В тормозных режимах привода он будет играть роль инвертора, обеспечивающего рекуперацию в сеть энергии из цепи постоянного тока, а в двигательном режиме привода перейдет в режим выпрямителя. При выполнении этих функций обеспечивается высокая степень синусоидальности сетевых токов и возможность регулирования реактивной мощности обоих знаков. Дополнительным преимуществом следует считать использование на входе и выходе преобразователя частоты одинаковых транзисторных устройств.

Регулируемый электропривод, силовая часть которого базируется на структуре, представленной на рис. 2.1, обладает рядом достоинств: широким диапазоном регулирования (30...60 Гц и более); высоким коэффициентом

полезного действия (без учета двигателя он достигает 0,98); высоким коэффициентом мощности (до 0,98); высокой надежностью и компактностью преобразователя.

Рис. 2.1. Структурная схема частотно-регулируемого АД: В — выпрямитель; Ф — фильтр; АИН — автономный инвертор напряжения; УУП устройство управления преобразователем частоты

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫС АВТОНОМНЫМ ИНВЕРТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ И УПРАВЛЯЕМЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ

Преобразователь частоты, работающий на статорную обмотку асинхронного двигателя, показан на рис. 2.2. Он включает в себя автономный инвертор напряжения (АИН) с системой управления инвертора (СУИ) и управляемый выпрямитель (УВ). На выходе выпрямителя предусмотрен LС -фильтр, предназначенный для сглаживания выпрямленного напряжения. В тормозном резисторе RT, который включается тормозным прерывателем КT при переходе двигателя в тормозной режим, рассеивается энергия торможения. В промышленных установках управляемый выпрямитель питается от сети переменного тока промышленной частоты 50 Гц. Управляющим воздействием для него является сигнал задания напряжения на входе системы управления выпрямителем (СУВ).

Рис. 2.2. Структура преобразователя частоты со звеном постоянного тока и управляемым выпрямителем

Наиболее распространенной схемой силовой части инвертора является трехфазная мостовая схема (см. рис. 2.2), состоящая из шести управляемых ключей, обозначенных на рисунке цифрами 1... 6. Эти ключи должны обладать двухсторонней проводимостью. В настоящее время они обычно выполняются на транзисторах, обеспечивающих протекание тока в прямом направлении от плюса напряжения U _д к минусу. Обратная проводимость обеспечивается включенными параллельно транзисторам диодами обратного тока. С их помощью создается цепь для протекания обратного тока в процессе коммутации транзисторов и в тормозном режиме двигателя.

Управление частотой ω _0эл на выходе преобразователя осуществляется путем воздействия на систему управления инвертора, в которой сигнал задания частоты преобразуется в длительность сигналов управления, подаваемых на транзисторы инвертора в соответствии с установленным алгоритмом. Значение амплитуды напряжения переменного тока на выходе инвертора определяется значением выпрямленного напряжения U _д из которого формируется выходное напряжение преобразователя. Оно задается сигналом на входе системы управления выпрямителем.

Диаграмма состояния ключей инвертора при угловой длительности замкнутого состояния ключей (открытого состояния транзисторов, работающих в ключевом режиме), равной π, представлена на рис. 2.3. В каждый данный момент времени замкнуты три ключа. Состояние ключей изменяется через каждую шестую часть периода, длительность которой в единицах

Рис. 2.3. Диаграмма состояния ключей инвертора

времени Δ t определяется заданным значением частоты на выходе инвертора как Δ t = π/(3ω_0эл). Таким образом, изменение сигнала задания частоты на входе системы управления инвертором приводит к изменению этой длительности, т. е. изменению частоты ω _0эл напряжения на выходе. Последовательность замыкания ключей 1–2–3–4–5–6 (см. рис. 2.3) соответствует определенному направлению вращения двигателя. Для его изменения эта последовательность должна быть изменена на обратную. Из диаграммы, очевидно, что существует шесть ненулевых состояний ключей, при которых всегда замкнуты два четных и один нечетный или один четный и два нечетных ключа. Кроме них могут еще использоваться два нулевых состояния, при которых замкнуты ключи 1–3–5 или 2–4–6 и когда все три фазы статора замкнуты на положительный или отрицательный зажим выпрямителя, что соответствует нулю напряжения на нагрузке. Все восемь состояний ключей инвертора показаны в табл. 2.1. В ней указаны номера замкнутых ключей, схема включения обмоток фаз статора в предположении, что обмотки соединены звездой, и значения фазных напряжений. В каждом из шести ненулевых состояний две обмотки статора, соединенные параллельно, включены последовательно с третьей обмоткой.

Т а б л и ц а 2.1 Схемы включения обмоток статора при разных состояниях ключей инвертора и соответствующие значения фазных напряжений

Замкнуты ключи	Схема включения обмоток статора	Фазные напряжения
5-6-1
6-1-2
1-2-3
2-3-4
3-4-5
4-5-6
1-3-5
2-4-6

Поэтому на соединенных параллельно обмотках действует напряжение, равное (1/3) U _д, а на обмотке, соединенной с ними последовательно (2/3)U _д. На рис. 2.4 показаны фазные напряжения и_1А, u_1B, u _1C, значения которых на каждой шестой части периода определяются в соответствии с табл. 2.1. Там же приведено одно из линейных напряжений и_АВ, определенное как и_АВ = и_1А -- u_1B. Поскольку выходное напряжение преобразователя формируется из напряжения U _д на выходе выпрямителя, изменение U _д в результате изменения сигнала задания на входе системы управления выпрямителем приводит к пропорциональному изменению напряжения на выходе преобразователя частоты. Показанное на рис. 2.4 линейное напряжение может быть представлено в виде суммы гармонических составляющих, не содержащих гармоник, кратных двум и трем:

; (2.1) (2.2)

Первая гармоника линейного напряжения u _л1 = f (ω_0эл t) (см. рис. 2.4) имеет амплитуду, равную U _лm1 ~ (1,1) U _д. Амплитуда первой гармоники напряжения фазы составляет U _фm1 ~ (0,637) U _д.

24

Рис. 2.4. Форма напряжений на выходе инвертора

Если бы автономный инвертор питался от источника постоянного напряжения (выпрямителя), обладающего двухсторонней проводимостью, то при уменьшении частоты на выходе преобразователя или при увеличении скорости двигателя до значения, большего скорости идеального холостого хода в результате действия активного момента на валу, двигатель переходил бы в режим рекуперативного торможения. Если выпрямитель выполняется как нереверсивный, то он не пропускает поток мощности от двигателя в сеть. Поэтому для обеспечения режима торможения в схеме предусмотрен тормозной резистор R_Т (см. рис. 2.2). При возникновении условий для тормозного режима двигателя электронный ключ K _т замыкается, и энергия торможения рассеивается в тормозном резисторе.

Несинусоидальность выходного напряжения приводит к несинусоидальному характеру тока в статорных обмотках и пульсациям момента двигателя. Эти пульсации особенно сильно проявляются при пониженной частоте и небольшом моменте инерции механизма, который приводится в движение приводом. Тогда они вызывают неравномерность вращения двигателя, а иногда и возникновение шагового режима, когда двигатель вращается с остановками.

Таким образом, несинусоидальный характер

напряжения на выходе выпрямителя накладывает ограничение на возможный диапазон регулирования скорости привода. Кроме того, наличие высших гармоник в кривой тока статора вызывает увеличение потерь энергии по сравнению со случаем питания двигателя синусоидальным напряжением. Поэтому в последнее время получили наибольшее распространение преобразователи частоты со звеном постоянного тока, в которых форма тока статора, близкая к синусоидальной, достигается применением инверторов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).