Современные массовые электронные преобразователи частоты появились в 1980-е годы благодаря развитию средств силовой и информационной электроники. Их основа - полностью управляемый (отпираемый и запираемый внешним сигналом) электронный ключ - транзистор. Создание таких ключей на токи до 600 А и обратные напряжения до 1 200 В при частоте коммутации до 30 кГц позволило построить простые массовые ПЧ в диапазоне мощностей до 250 кВт с выходной частотой 0... 100 Гц, работающие от стандартной трехфазной сети 380 В.
Типовая структура массового ПЧ показана на рис. 3.7. Он состоит из неуправляемого выпрямителя В, питающегося от сети, на выход которого через конденсатор С подключен трехфазный управляемый автономный инвертор напряжения АИН, питающий асинхронный двигатель АД напряжением регулируемой частоты. Управление ключами АИН - их включение и выключение - осуществляется блоком управления БУ, построенным на микропроцессорных средствах.
Рис. 3.7. Схема системы преобразователь частоты - асинхронный электродвигатель
Принцип действия автономного инвертора поясним на простом примере, когда инвертор подключен к источнику с напряжением, равным единице, и нагружен тремя одинаковыми резисторами с сопротивлениями, равными единице, соединенными в схему «звезда» (рис. 3.8).
Обозначим ключи цифрами 1...6, как показано на рис. 3.8 а, период выходного напряжения разобьем на шесть интервалов и обозначим их римскими цифрами I...VI (рис. 3.8, б).
Выберем положительное направление тока в резисторах от А, B, С к 0 и поручим блоку управления включать ключи на каждом интервале в порядке следования их номеров и оставлять включенными на три интервала, т.е. на 1/2 периода (180° коммутация) - жирные линии на рис. 3.8, б.
На интервале I включены ключи 1, 5 и 6, т.е. точки А и С подключены к «+» источника, а точка В - к «-». Сопротивление цепи между «+» и «-» составит 1/2 + 1 = 3/2, а ток I: 3/2 = 2/3, причем в фазах А и С он будет положительным и равным 1/3, а в фазе В - отрицательным -2/3 (рис. 3.9, а).
На интервале II ситуация изменится: будут включены ключи Д 2 и б, точка А соединена с «+» источника, точки В и С - с «-», общее сопротивление будет 1/2 + 1 = 3/2, ток в фазе будет 1:3/2 = 2/3, а токи в фазах В и Сбудут -1/3 (рис. 3.9, б).
Рис. 3.8. К принципу работы преобразователя частоты:
а - структура; б - диаграмма коммутации- - замыкание ключей
Рис. 3.9. Схемы соединения нагрузки при коммутации фаз - I (я), II (б) и III (в) интервалы
Рассматривая следующие интервалы (рис. 3.9, в) легко обнаружить, что на зажимах нагрузки будут формироваться напряжения, показанные на рис. 3.10.
Рис. 3.10. Напряжения на фазах
Изложенное иллюстрирует лишь принцип работы автономного инвертора. В действительности процессы имеют более сложный характер.
Во-первых, асинхронный двигатель является сложной активно-индуктивной нагрузкой, и токи не повторяют напряжения, как в рассмотренном примере, а оказываются отстающими от напряжения, в связи с чем на каждом интервале есть участок, когда ток протекает по ключу в обратном направлении. Это обеспечивается диодами в составе ключа, шунтирующими транзистор, и конденсатором С, принимающим энергию обратных токов.
Во-вторых, в рассмотренном случае не регулируется амплитуда напряжения, что необходимо при регулировании частоты вниз от основной. Для этого используется либо управляемый выпрямитель В, либо (чаше) широтно-импульсная модуляция. При этом каждый интервал проводимости ключа делится на большое количество подинтервалов с продолжительностью т. Ключ оказывается включенным лишь в течение времени tвкл составляющем долю т. Тогда среднее значение напряжения на подинтервале составит
Варьируя tвкл, т.е., можно управлять средним напряжением, формируя в результате напряжение на нагрузке любой формы, в частности нормальное синусоидальное напряжение.
В-третьих, 180-градусная коммутация, рассмотренная ранее, - лишь один частный случай. Используются и 120-градусная коммутация, когда ключ включен в течение 1/3 периода, и другие специальные виды коммутации.
В-четвертых, нагрузка инвертора - фазы двигателя не обязательно соединены в схему «звезда»; они могут быть соединены и в схему «треугольник», что повлияет на форму выходного напряжения.
Изложенные простые алгоритмы управления частотой и амплитудой напряжения - лишь важные частные случаи. Широкие возможности, предоставляемые современными микропроцессорными средствами для управления ключами инвертора, позволили создать новые эффективные структуры частотно-регулируемого асинхронного электропривода, не уступающие по функциональным возможностям электроприводу постоянного тока. Сюда относятся векторное управление в различных модификациях и прямое управление моментом.
Кроме описанного ПЧ на основе автономного инвертора напряжения, получившего наиболее широкое применение, выпускаются и используются другие типы преобразователей частоты.
Преобразователь частоты на основе автономного инвертора тока (АИТ) может быть построен на основе ключей - тиристоров. В нем будут использоваться тяжелый и громоздкий реактор в звене постоянного тока и управляемый выпрямитель на входе, но появится возможность рекуперации энергии, которой не обладает в базовой комплектации преобразователь с инвертором напряжения.
Непосредственный преобразователь частоты (НПЧ) не имеет явно выраженного звена постоянного тока, может быть построен на обычных тиристорах, может осуществлять рекуперацию энергии, однако имеет ограниченный диапазон изменения частоты и вносит существенные искажения в напряжение питающей сети.