Преобразователи с промежуточным звеном

 

Такие преобразователи подразделяются на преобразова­тели частоты с непосредственной связью и естественной коммутацией тока тиристоров и с непосредственной связью с искусственной коммутацией тока тиристоров. Преобразователи с промежуточным звеном постоянного то­ка позволяют регулировать выходную частоту при помощи си­стемы управления инвертора СУИ в широком диапазоне как вверх, так и вниз от частоты питающей сети. Данный тип пре­образователей частоты имеет простую схему силовой части, а следовательно, и системы управления.

В синхронном электрическом двигателе частота вращения ротора в установившемся режиме равна частоте вращения магнитного поля статора . В асинхронном электрическом двигателе частота вращения ротора отличается от частоты вращения на величину скольжения .

Частота вращения магнитного поля зависит от частоты напряжения питания. При питании обмотки статора электрического двигателя трехфазным напряжением с частотой создается вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого поля определяется по известной формуле
ω₁ = , (10.1)

где р– число пар полюсов статора.

Переход от скорости вращения поля ω₁, измеряемой в радианах, к частоте вращения , выраженной в оборотах в минуту, осуществляется по следующей формуле: = 60ω₁/ 2π, (10.2)

где 60 – коэффициент пересчета размерности.

Подставив в это уравнение скорость вращения поля ω1, получим, что
= . (10.3)

Таким образом, частота вращения ротора синхронного и асинхронного двигателей зависит от частоты напряжения питающей сети.

На этой зависимости и основан метод частотного регулирования.

Изменяя с помощью преобразователя частоту на входе двигателя, мы регулируем частоту вращения ротора.

В наиболее распространенном частотно регулируемом приводе на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяютсяскалярное и векторное частотное управление.

При скалярном управлении по определенному закону изменяют амплитуду и частоту приложенного к двигателю напряжения. Изменение частоты питающего напряжения приводит к отклонению от расчетных значений максимального и пускового моментов двигателя КПД, коэффициента мощности. Поэтому для поддержания требуемых рабочих характеристик двигателя необходимо с изменением частоты одновременно соответственно изменять и амплитуду напряжения.

В существующих преобразователях частоты при скалярном управлении чаще всего поддерживаются постоянным отношением максимального момента двигателя к моменту сопротивления на валу. То есть при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется таким образом, что отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки остается неизменным. Это отношение называется перегрузочная способность двигателя. Максимальный момент, развиваемый двигателем, определяется следующей зависимостью между напряжением и частотой:

^М _мах = , (10.4)

где - постоянный коэффициент.

При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и КПД двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.

Поэтому зависимость напряжения питания от частоты определяется характером нагрузки на валу электрического двигателя.

Для постоянного момента нагрузки поддерживается отношение U / f = const, и, по сути, обеспечивается постоянство максимального момента двигателя. Но на малых частотах, начиная с некоторого значения частоты, максимальный момент двигателя начинает падать. Для компенсации этого и для увеличения пускового момента используется повышение уровня напряжения питания.

Используя зависимость максимального крутящего момента от напряжения и частоты, можно построить график U от f для любого типа нагрузки.

Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей. Скалярное управление достаточно для большинства практических случаев применения частотно регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:40.

Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя.

Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом необходимо изменять кроме амплитуды ещё и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление». Для управления вектором тока, а следовательно, положением магнитного потока статора относительно вращающегося ротора требуется знать точное положение ротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчика положения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другим параметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжения статорных обмоток.

Менее дорогим является частотно регулируемый электропривод с векторным управлением без датчика обратной связи скорости, однако векторное управление при этом требует большого объема и высокой скорости вычислений от преобразователя частоты. Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых, близких к нулевым скоростям вращения работа частотно регулируемого электропривода без обратной связи по скорости невозможна. Векторное управление с датчиком обратной связи скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости – сотые доли процента, точность по моменту – единицы процентов.

Структурная схема преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока показана на рис. 10.2. Напряжение сети выпрямляется управляемым выпрямителем 1, имеющим систему управления СУВ, фильтруется LC -фильтром 2 и подается на автономный инвер­тор АИ- 3. Функции регулирования частоты выходного напряже­ния осуществляет инвертор, а напряжения – выпрямитель. Иногда обе функции совмещает инвертор, а выпрямитель вы­полняют неуправляемым. Основным недостатком преобразователя частоты с проме­жуточным звеном постоянного тока является двойное преобра­зование энергии – выпрямление и инвертирование, что приво­дит к снижению КПД и ухудшению массогабаритных показа­телей. В преобразователях частоты с промежуточным звеном по­стоянного тока можно осуществить свободный обмен электри­ческой энергией между потребителем и питающей сетью в обо­их направлениях. Для такого обмена требуются полностью управляемые вентили с двухсторонней проводимостью.

Промышленность выпускает IGBT транзисторы и силовые полевые транзисторы на токи до 60 А и напряжение до 1200 В. Они имеют более высокий КПД (до 98 %) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах.

Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоян­ного тока применяют для питания электрических двигателей, частоту вращения ротора которых необходимо варьировать в широких пределах при пуске, торможении и регулировании скорости.

 

Рис. 10.2. Преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока

 

В соответствии с современным направлением развития науки и техники преобразователи частоты строят на регулируемых выпрямителях и инверторах управляемых однокристальной микро ЭВМ (рис.10.3).

Для силовой части преобразователя используют тиристоры и мощные полевые и IGBT-транзисторы. Инвертор преобразователя частоты на тиристорах имеет большую стоимость, вес, габариты, более сложный монтаж, конструкцию и меньшую надежность. Транзисторный преобразователь частоты основан на широтно-импульсной модуляции. Для управления преобразователем, питающем трехфазный двигатель, используется контроллер, имеющий 6 выходов ШИМ: по два на каждую фазу – один для верхней полуволны, другой для нижней. Также микроконтроллер должен обеспечивать возможность введения обратных связей, а значит, иметь АЦП, цифровые вводы–выводы для создания программных клавиш, возможность программирования и перепрограммирования с персональной ЭВМ. В схеме встроены цепи защиты, которые предохраняют силовые устройства от повреждений в случае системного сбоя или перенапряжения. Эти цепи обнаруживают неисправность и производят отключение схемы. Защита предусмотрена в следующем объеме: защита от тока короткого замыкания; минимальная защита по управляющему напряжению; температурная защита.

 

.
10.3. Высоковольтные преобразователи частоты

В последние годы большое внимание, которое диктуется потребностями рынка, уделяют разработке и созданию высоковольтных частотных преобразователей. Требуемая величина выходного напряжения преобразователя частоты для высоковольтного электропривода достигает 10 кВ и выше при мощности до нескольких десятков мегаватт. Вентильные высоковольтные преобразователи частоты предназначены для частотного пуска и регулирования скорости вращения высоковольтных электродвигателей, мощностью 250-5000 кВт. Они преобразуют электрическую энергию трехфазной сети переменного тока промышленной частоты напряжением 3, 6 или 10 кВ в трехфазное напряжение с параметрами частоты и напряжения, изменяемыми по закону частотного регулирования. Существует четыре основные схемы построения вентильных преобразователя со звеном постоянного тока:

-- прямого преобразования ПЧСВ;

-- с низковольтным звеном ПЧСН;

-- многоуровневые;

-- каскадные.

 

10.3.1. Двухтрансформаторная схема

 

Преобразователи частоты с низковольтным звеном ПЧСН аналогичны по принципу действия, функциональным возможностям, назначению и области применения высоковольтным преобразователям частоты ПЧСВ. Преобразователи ПЧСН являются альтернативой преобразователям ПЧСВ для достаточно узкого диапазона электроприводов с синхронными двигателями мощностью от 320 до 1600 кВт. Для этого диапазона мощностей оказалось выгодно снизить рабочее напряжения преобразователя. И хотя снижение рабочего напряжения требует установки понижающего трансформатора на входе и повышающего трансформатора на выходе преобразователя, общий экономический эффект очевиден. Так, например, для синхронного двигателя мощностью 1600 кВт удельная цена одного кВт мощности при приобретении комплектного ПЧСВ составляет 106 $, а при применении комплектного ПЧСН - 64$.

Подключение преобразователя к сети осуществляется либо через входной токоограничивающий реактор, либо через согласующий трансформатор.

Предельные напряжение и ток единичного электронного ключа ограничены, поэтому применяют специальные схемные решения для повышения выходного напряжения преобразователя. Кроме того, это позволяет уменьшить общую стоимость высоковольтных преобразователей частоты за счет использования низковольтных электронных ключей. В преобразователях частоты различных фирм производителей используются следующие схемные решения.

В схеме преобразователя (рис.10.5) осуществляется двойная трансформация напряжения с помощью понижающего (Т1) и повышающего (Т2) высоковольтных трансформаторов. Двойная трансформация позволяет использовать для регулирования частоты относительно дешевый низковольтный преобразователь частоты, структура которого была рассмотрена раньше.

 

 

Рис.10.5. Схема двухтрансформаторная ПЧСН

Преобразователи отличают относительная дешевизна и простота практической реализации. Вследствие этого они наиболее часто применяются для управления высоковольтными электродвигателями в диапазоне мощностей до 1 – 1,5 МВт. При большей мощности электропривода трансформатор Т2 вносит существенные искажения в процесс управления электродвигателем. Основными недостатками двух трансформаторных преобразователей являются высокие массогабаритные характеристики, меньшие по отношению к другим схемам КПД (93 – 96 %)и надежность. Преобразователи, выполненные по этой схеме, имеют ограниченный диапазон регулирования частоты вращения двигателя как сверху, так и снизу от номинальной частоты. При снижении частоты на выходе преобразователя увеличивается насыщение сердечника и нарушается расчетный режим работы выходного трансформатора Т2. Поэтому, как показывает практика, диапазон регулирования ограничен в пределах n _ном > n >0,5 n _ном. Для расширения диапазона регулирования используют трансформаторы с увеличенным сечением магнитопровода, но это увеличивает стоимость, массу и габариты. При увеличении выходной частоты растут потери в сердечнике трансформатора Т2 на перемагничивание и вихревые токи. В приводах мощностью более 1 МВт и напряжении низковольтной части 0,4 – 0,6 кВ сечение кабеля между преобразователем частоты и низковольтной обмоткой трансформаторов должно быть рассчитано на токи до килоампер, что увеличивает массу преобразователя.

Многоуровневые преобразователи частоты отличаются от рассмотренных схем тем, что в них большое число последовательно включенных вентилей в плече используется для формирования выходного напряжения с уменьшенными шагами по напряжению. Это обеспечивает лучшую форму кривой выходного напряжения, а также уменьшает броски напряжения, что улучшает режим работы нагрузки и снижает уровень электромагнитных помех, излучаемых преобразователем.

Такие преобразователи частоты строятся по схеме автономного инвертора напряжения (АИН) на IGBT-транзисторах. Существует два класса схем многоуровневых преобразователей:

-- с привязкой средней точки через разделительные диоды;

-- с плавающими конденсаторами.

Схема силовой части трехуровнего преобразователя с привязкой средней точки показана на рис.10.6. Его работа поясняется рис.10.7. За счет последовательно соединенных конденсаторов на входе инверторного моста на средней точке этих конденсаторов формируется постоянное напряжение, равное Ud /2. Это напряжение через разделительные диоды подается на средние точки плеч инвертора, образованные последовательно включенными Vt. За счет соответствующего управления транзисторами инвертора на его выходе формируется напряжение трех уровней, Ud, Ud /2 и 0, в то время как классическая схема АИН формирует напряжение только двух уровней (Ud и 0).

Кривая выходного напряжения одной фазы показана на рис.10.8.

За счет появления дополнительных ступеней в кривой выходного напряжения существенно повышается коэффициент синусоидальности выходного напряжения, определяемый как отношение действующего значения первой гармоники выходного напряжения к действующему значению выходного напряжения γ= U (1)/ U. Можно показать, что коэффициент синусоидальности приобретает максимальное значение при угле переключения α= 39 эл. град. частоты выходного напряжения, равное α = 0,974, в то время как для обычного (двухуровневого) АИН это значение составляет α = 0,900.

 

Рис.10.6. Трёхуровневый преобразователь Рис.10.8. Напряжение фазы

с привязкой средней точки трехуровневого преобразователя

 

Схема силовой части преобразователя с четырьмя уровнями выходного напряжения и привязкой средней точки показана на рис.10.9. В ней за счет последовательного включения на входе трех конденсаторов формируется два дополнительных уровня напряжения: Ud и Ud.

 

а б в г

Рис.10.7. Диаграммы состояния фазы трехуровневого преобразователя с привязкой средней точки: а- схема одной фазы; б- состояние Ua 0 = 0; в - состояние U a 0 = 0,5Ud; г -состояние Ua0 = Ud

 

За счет соответствующего управления транзисторами инвертора на его выходе формируется напряжение четырех уровней: Ud, Ud, Ud, и 0. Это дает дополнительное повышение коэффициента синусоидальности выходного напряжения, форма которого показана на рис.10.10. При такой форме выходного напряжения коэффициент синусоидальности максимален при углах переключения α = 27 эл. град. и α¹ = 49 эл. град. частоты выходного напряжения и составляет γ = 0,9889. С увеличением числа ступеней коэффициент синусоидальности растет, стремясь к единице.

 

 

 

Рис.10.9. 4-уровневый преобразователь с Рис.10.10. Напряжение фазы 4-ур.

средней точкой Ud преобразователя

 

Для подавления высших гармоник в преобразователях обоих типов используется многоуровневая широтно-импульсная модуляция. Законы модуляции весьма сложны и реализуются на базе микроконтроллеров. Они должны учитывать, в том числе, и изменение напряжения на конденсаторах при протекании через них тока нагрузки.

Для повышения рабочего напряжения преобразователя частоты электронные ключи соединяют последовательно. Число элементов в каждом плече определяется величиной рабочего напряжения и типом элемента. Основная проблема для этой схемы состоит в строгом согласовании работы электронных ключей. Полупроводниковые элементы, изготовленные даже в одной партии, имеют разброс параметров, поэтому очень остро стоит задача согласования их работы по времени. Если один из элементов откроется с задержкой или закроется

 

раньше остальных, то к нему будет приложено полное напряжение плеча, и он выйдет из строя. Для снижения уровня высших гармоник и улучшения электромагнитной совместимости используют многопульсные схемы преобразователей. Согласование преобразователя с питающей сетью осуществляется с помощью многообмоточных согласующих трансформаторов Т. Такие схемы чаще называют каскадными преобразователями.

10.3.3. Схема каскадных преобразователей

Каскадные преобразователи также обеспечивают многоуровневое формирование выходного напряжения. Они строятся на базе Н-мостовых ячеек, которые представляют однофазный преобразователь. В отличие от рассмотренных выше многоуровневых преобразователей каждая ячейка должна питаться от изолированного источника постоянного напряжения. Поэтому на входе каждой ячейки предусмотрен индивидуальный трехфазный мостовой выпрямитель, который, в свою очередь, питается от отдельной вторичной обмотки многообмоточного трансформатора. Выходы ячеек включаются последовательно, как показано на рис.10. 11.

 

 

 

Рис.10.11. Упрощённая схема каскадного преобразователя на Н-ячейках с многообмоточным трансформатором

 

Поскольку каждая ячейка обеспечивает три уровня выходного напряжения: Ud, 0 и - Ud, при n последовательно включенных ячейках обеспечивается 3 + 2(n - 1) уровней выходного напряжения преобразователя в целом. При трех ячейках в фазе возможно получение 7 уровней фазного напряжения, а при 5 ячейках --11. Благодаря такой конфигурации суммарный коэффициент гармоник не превышает 3 %.

Пример формирования выходного напряжения одной фазы преобразователя показан на рис.10.12. На случай аварии одной из ячеек в каждой ячейке предусмотрен обходной контактор. При возникновении аварии он закорачивает выход ячейки, исключая ее из последовательной цепи, а исправные ячейки могут продолжать работу.

Это позволяет использовать низковольтные инверторные ячейки. Ячейка выполняется по схеме: неуправляемый трехфазный выпрямитель, емкостной фильтр, однофазный инвертор на IGBT транзисторах. Выходы ячеек соединяются последовательно. В приведенном примере каждая фаза питания электродвигателя содержит три ячейки. По своим характеристикам преобразователи находятся ближе к схеме с последовательным включением электронных ключей.