Введение
В последнее время частотно-регулируемый электропривод переменного тока и, прежде всего, асинхронный электропривод стал главным типом регулируемого промышленного электропривода серийно выпускаемого ведущими отечественными и зарубежными электротехническими фирмами.
Основным силовым преобразователем энергии такого электропривода являются полупроводниковые преобразователи частоты на полностью управляемых коммутируемых элементах типа силовых транзисторов (IGВT) и запираемых тиристоров (IGCT).
Если на этапах развития до 80-х годов основным типом преобразователей частоты были преобразователи по схеме «неуправляемый выпрямитель – ШИМ-инвертор», в связи с чем в электроприводе реализовывались, преимущественно, тормозные режимы с рекуперацией энергии на тормозные сопротивления, то в настоящее время развита теория и практика создания электроприводов с активным выпрямителем (или выпрямителем с активным передним фронтом AEFT), обеспечивающим реализацию тормозных режимов с рекуперацией электроэнергии в сеть и управляемым коэффициентом мощности и коэффициентом нелинейных искажений.
С развитием силовой и слаботочной электроники открылись новые возможности замены двигателей постоянного тока, являющихся основным видом двигателя в высокоточных электроприводах, асинхронными двигателями, являющимися значительно более простыми, дешевыми и надежными. Был разработан новый принцип управления АД, основанный на регулировании составляющих isd, isq вектора статорного тока is, направленных по (isd) и перпендикулярно (isq) вектору потокосцепления ротора ψr.Такой метод получил название векторное управление.
Общие теоретические положения
Силовые полупроводниковые приборы
Питание электрических машин переменного тока с изменяемой скоростью вращения осуществляется от устройств, обеспечивающих на своем выходе регулируемую частоту напряжения или тока. При применении полупроводниковой техники полупроводниковые приборы должны включаться и выключаться в определенной последовательности, формируя это выходное напряжение (ток). Ранее в качестве таких приборов использовались тиристоры. Как известно, закрыть уже открытый тиристор можно только подав на его анод отрицательное (по отношению к катоду) напряжение. Для этих целей использовались узлы искусственной коммутации, состоящие, как правило, из тиристоров, конденсаторов, диодов и индуктивностей. Их наличие снижало надежность преобразователей, увеличивало их габариты и стоимость.
Ситуация радикально изменилась в связи с появлением IGBT – транзисторов (Insulated Gate Bipolar Transistor) – устройств, которые можно закрыть по цепи управления. IGBT имеет биполярный транзистор на выходе и полевой на входе. Первый обеспечивает высокие допустимые ток и напряжение, а второй – малые токи управления. В корпус IGBT встроен обратный диод (рис.1), который обеспечивает при необходимости путь протекания тока обратной полярности.
Рисунок 1 – IGBT-транзистор
Для управления IGBT необходимо, как правило, преобразовать логический сигнал управления в напряжение, пригодное для управления IGBT. Это осуществляется с помощью специальных устройств, называемых драйверами, которыми обычно изготовители IGBT комплектуют свои поставки. Помимо указанной, драйверы решают такие задачи: трансформаторное или оптическое потенциальное разделение цепей управления и силовых, защиту IGBT от перегрузок и коротких замыканий, ограничение скорости нарастания анодного тока, реализацию необходимых задержек при включении – выключении IGBT в одной фазе инвертора (для исключения сквозных токов необходимо сначала выключить транзистор, выходящий из работы, а затем включить вступающий в работу, эта задержка составляет несколько мксек.), индикацию состояния драйвера и транзистора. Возможная блок-схема драйвера приведена на рис.2.
Рисунок 2 – Схема драйвера
Инвертор напряжения
Основным видом преобразователя, питающего регулируемый по скорости асинхронный двигатель, является инвертор напряжения (рис.3), состоящий из трех частей: источника постоянного напряжения, звена постоянного тока и собственно инвертора.
Рисунок 3 – Структурная схема инвертора напряжения
Для большинства промышленных электроприводов источником постоянного напряжения является простой трехфазный двухполупериодный выпрямитель.
Рисунок 4 – Нерегулируемый входной выпрямитель
Индуктивность L ограничивает аварийный ток установки и скорость его нарастания, уменьшает искажения питающей сети. Напряжение на конденсаторе С равно в среднем 1,35Uс – действующее значение линейного питающего напряжения.
Звено постоянного тока состоит из дросселя Ld, конденсатора С и цепи полупроводниковый ключ-резистор R, служащий для гашения тормозной энергии двигателя и защиты конденсатора от перенапряжения. Индуктивность Ld в цепи постоянного тока служит для уменьшения зарядного тока конденсатора и уменьшения пульсаций тока.
Величина емкости конденсатора должна обеспечить:
1 Существенное уменьшение уровня пульсаций напряжения Ud, вызванных коммутационными процессами в инверторе и выпрямителе. Так частота этих процессов достаточно велика, то требуемая для этого емкость конденсатора оказывается небольшой.
2 При аварийном процессе в инверторе все ключи закрываются и энергия, накопленная в индуктивности двигателя, разряжается на конденсаторе, увеличивая его напряжение.
3 В переходных процессах сброса и наброса нагрузки и переходе двигателя в генераторный режим напряжение на конденсаторе не должно изменится более, чем на 15% от установленного значения.
Рисунок 5 – Инвертор напряжения
Оставшуюся часть схемы рис.3 составляет собственно инвертор. Простой (или двухуровневый) инвертор изображен на рис.5. каждый условно показанный ключ представляет собой IGBT. При нормальной работе в каждой фазе один из ключей замкнут, а второй разомкнут. Принято состояние инвертора обозначать трехразрядным двоичным кодом, в котором разряд «0» соответствует разомкнутому состоянию ключа соответствующей фазы, подсоединенного к шине «+» (и соответственно замкнутому состоянию ключа в этой фазе, подсоединенному к шине «-»), а «1» - противоположному состоянию ключей.
Выбранный преобразователь частоты представляет собой автономный инвертор напряжения (АИН) и содержит емкость в звене постоянного тока (силовой фильтр). В АИН имеет место однозначная зависимость напряжения в звене постоянно тока от напряжения на нагрузке, и поэтому он является источником напряжения. Благодаря наличию емкости, при работе инвертора как источника напряжения на активно-индуктивную нагрузку, каковым является АД, обеспечивается обмен реактивной энергией между АД и звеном постоянного тока. Преобразователь готов к работе после заряда конденсатора промежуточного контура. Построенный из IGBT-модулей инвертор вырабатывает из постоянного напряжения промежуточного контура трехфазные напряжения для питания двигателей. Кроме конденсатора для этой цели необходимы обратные диоды, включенные параллельно основным ключам. Через эти диоды протекает ток в моменты возврата реактивной энергии от двигателя в емкость. Ток в цепи на участке между инвертором и емкостью при низких Cosφ нагрузки может менять направление. Форма напряжения на выходе инвертора определяется порядком переключения ключей. Напряжение на выходе инвертора регулируется широтно-импульсным способом, который осуществляется модуляцией напряжения несущей частоты ωк (частоты коммутации ключей) сигналом основной частоты.