Рис1.1. Схема трёхфазного мостового инвертора напряжения

ЧАСТОТНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ОДНОФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАЕТЛЯ

Общие принципы частотного управления АД

Асинхронные двигатели как однофазные, так и трехфазные достаточно часто управляются частотным методом. Несмотря на сложность схемы частотных преобразователей, они находят широкое применение в управлении АД, поскольку при этом становиться возможным получение любой скорости вращения, в том числе и выше синхронной при сетевой частоте.

Суть частотного метода управления состоит в том, что изменяется частота питающего напряжения. Обычно для этого сначала сетевое переменное напряжение делают постоянным с помощью выпрямителя, а затем с помощью автономного инвертора снова делают переменным с заданной частотой.

В общем случае процесс преобразования энергии источника постоянного тока в переменный ток принято называть инвертированием, а электронные устройства, осуществляющие такое преобразование, называются инверторами. Инверторы, вырабатывающие переменный ток заданной постоянной или регулированной частоты и питающие автономную нагрузку, носят название автономных инверторов (АИ). Автономные инверторы, в отличие от электронных генераторов переменного напряжения, являются устройствами силовой электронной преобразовательной техники и служат, главным образом, для питания мощных потребителей, работающих на переменном токе. Среди многочисленных областей практического применения автономных инверторов можно выделить следующие характерные примеры:

1. Питание устройств, работающих на переменном токе, где источником питания служит аккумуляторная батарея.

2. Регулируемый электропривод переменного тока с частотным управлением.

З. Вторичные источники электропитания (ВИП), передающие электроэнергию нагрузке на повышенной частоте, реализуют принцип преобразования напряжения промышленной электросети без сетевого согласующего трансформатора, но имеют такой трансформатор на выходе инвертора.

4. Устройства электропитания различных технологических процессов, в которых допускается использование нестандартной, чаще всего повышенной частоты (мощные ультразвуковые установки, устройства индукционного нагрева, электросварочные аппараты и др.).

Основной проблемой при практической реализации силовой части преобразователей является обеспечение надежной работы электронных ключей, в качестве которых используются тиристоры и силовые транзисторы. Естественно, что к автономным инверторам предъявляются и общие требования для силовых устройств электропитания: высокий КПД; минимальная установленная мощность отдельных узлов и элементов; возможность регулирования в заданных пределах выходного напряжения и частоты и их стабилизацию при случайных изменениях характера нагрузки или входного напряжения; получение синусоидальной (или близкой к синусоидальной) формы выходного напряжения; устойчивость работы при перегрузках на выходе и в режиме холостого хода.

Работа инвертора, собранного по трехфазной мостовой схеме (рис. 16) при соединении нагрузки в звезду, иллюстрируется диаг­раммой рис. 17. На рис. 17, а, б, в приведены кривые токов управления транзисторами, на рис. 17, г, д, е — формы кривых линей­ных (ЕАв, Евс, ЕСа), а на рис. 17, ж, з, и — фазных (ЕА, Ев, Ес) напряжений.

Трёхфазный мостовой инвертор напряжения

Рис1.1. Схема трёхфазного мостового инвертора напряжения

Схема трехфазного инвертора напряжения представлена на рис. 1.1, где ключи S 1, S 2 идентичны ключам в ранее рассмотренных схемах однофазных инверторов. В схеме на рис. 8.8 выделен узел 0, образованный соединением конденсаторов С 1 и С 2, относительно которого можно рассматривать фазные напряжения u_{a 0}, u_{b 0}, и u_{c 0}.

В сбалансированной трехфазной системе фазные напряжения и токи одинаковы в каждой фазе (с учетом междуфазного сдвига) и сумма их значений для двух любых фаз определяет значение напряжения и тока в третьей фазе. Это необходимо учитывать при задании опорных сигналов модуляции. Как и в однофазных, в трехфазных схемах можно организовать модуляцию, используя в качестве опорных модулирующих сигналов синусоидальные сигналы и сигналы несущей частоты треугольной формы.

Рассмотрим формирование линейных напряжений на выходе инвертора. В целях единообразия трехфазной и однофазной схем будем рассматривать линейное напряжение u_ab как разность напряжений фаз а и б, определенных относительно точки 0. Выбор общей точки не имеет принципиального значения. Например, в качестве такой точки можно взять точку с потенциалом минусовой шины постоянного тока или какую-нибудь другую. С учетом выбора общей точки 0 линейное напряжение u_ab равно разности фазных напряжений u_ab и т. е. u_ab = u_{a 0} - u_{b 0}. Напряжения фаз u_{a 0} и u_{b 0} могут принимать следующие значения:

· на интервалах включенного состояния ключа S 1 фаза а соединяется с шинами + U_d и , а на интервалах с включенным состоянием S 4 фаза а соединяется с шинами - U_d и ;.

· на интервалах с включенным состоянием ключей S 3 и S 6 для фазы b и .

С учетом значений при модуляции (рис. 1.1) условия изменения состояний ключей S 1 и S 2 на интервале положительных полуволн напряжений следующие:

u _Ma (θ) > u _H (θ)- S 1 включен; u _Ma (θ) < u _H (θ)- S 1 выключен;

u _Mb (θ) > u _H (θ)- S 3 включен; u _Mb (θ) < u _H (θ)- S 3 выключен;

На интервалах отрицательных полуволн u _Ma, u _Mb условия изменении состояний справедливы для ключей S 4 (фаза а) и S 6 (фаза b) (рис.8.9). При этом в положительный полупериод напряжений u _Ma и u _Mb потенциалы фаз а и b равны U_d /2 при включенных ключах S 1 и S 3 и равны - U_d /2 при выключенных ключах. На интервалах отрицательных полуволн потенциалы фаз а и b изменяются от - U_d /2 до U_d /2 в зависимости от состояния ключей (см. табл. 8.2). Равенство нулю потенциалов фаз а и b соответствует проводимости ключей других плеч и обратных диодов подобно тому, как это имело место в однофазных инверторах напряжения. Согласно табл. 8.2 амплитуда первой гармоники линейного напряжения инвер­тора U_{a lm1} при коэффициенте амплитудной модуляции 0 < М_a < 1 может быть записана в виде:

^. (1.1)

При переходе в режим сверх модуляции (М _а >1) амплитуды первых гармоник линейных напряжений возрастают до значения:

(1.2)

В трехфазных инверторах, как и в однофазных, нагрузку ключей по току можно оценить по средним значениям токов в них на интервале одного периода. Оче­видно, что усредненные значения токов ключей S 1 —S 6 и диодов D 1 —D 6 будут соответствовать отрезкам синусоидальных токов фаз, т. е. первым гармоникам этих токов. При этом следует учитывать, что на интервалах включенных состоя­ний ключей общий ток фазы при активно-индуктивной нагрузке распределяется, например, между ключом S 1 и обратным диодом D 1. Таким образом, через ключ S1 ток поступает в нагрузку, а при изменении знака возвращается в источник через обратный диод D 1. Момент смены знака тока определяется коэффициентом сдвига основных гармоник тока и напряжения cosφ. Поэтому, учитывая только основную гармонику токов, несложно произвести расчет статических потерь мощности в ком­мутационных элементах и обратных диодах ключей.

Рис. 1.2. Диаграммы токов и напряжений трехфазного мостового инвертора.

Напряжения прямоугольной формы Еф' с амплитудой 0,5 Яф. макс и длительностью 180° (1/2 /) в течение каждого полупериода и на­пряжения Еф" той же амплитуды, но длительностью 60° (1/6 f) в течение каждого полупериода. Тогда ток в нагрузке равен сумме токов, обусловленных этими напряжениями.

Рис. 1.3. Схема преобразователя с рекуперацией энергии в сеть с помощью вспомогательного инвертора.

Учитывая, что величина емкости конденсатора, включаемого в цепь постоянного напряжения инвертора, может оказаться чрез­мерно большой, целесообразно при питании преобразователя от выпрямителя, подключенного к сети трехфазного напряжения, вклю­чить вместо конденсатора для рекуперации энергии в сеть вспомо­гательный инвертор ВИ (рис. 1.3.), выполненный по трехфазной мо­стовой схеме с регулированием противо э. д. с. Вспомогательный инвертор подключается к сети через согласующий трансформатор Тр или через дополнительные обмотки трансформатора выпрями­теля В. При этом реактивный ток преобразователя выпрямляется выпрямителем В и реактивная мощность передается вспомогатель­ным инвертором ВИ в сеть переменного тока [J1. 58].

Трёхфазные инверторы обычно используются для создания трёхфазного тока для,например, для питания трёхфазного асинхронного двигателя. При этом обмотки двигателя непосредственно подключаются к выходу инвертора.

Высокомощные трёхфазные инверторы применяются в тяговых преобразователях в электроприводе локомотивов, теплоходов, троллейбусов (например, АКСМ-321), трамваев, прокатных станов, буровых вышек, в индукторах (установки индукционного нагрева).

Работа схем, выполненных на тиристорах, усложняется дополнительными цепями принудительной коммутации (запирания) тиристоров силовой части. В большинстве схем автономных инверторов используется способ принудительного запирания тиристоров. Он заключается в том, что к запираемому тиристору в нужный момент подключается параллельно предварительно заряженный конденсатор, с полярностью напряжения, обратной по отношению к его прямому току. Разряжаясь навстречу рабочему току, конденсатор быстро уменьшает этот ток до нуля, в результате чего тиристор выключается. После выключения тиристора остаточное напряжение конденсатора оказывается «обратным» по отношению к выключенному тиристору. Если это обратное напряжение существует в течение времени, больше паспортного времени запирания данного тиристора, то последний восстанавливает свои запирающие свойства и, с появлением на нем прямого напряжения, может быть включен только подачей отпирающего импульса на управляющий электрод.