6.3. Электропривод по системе преобразователь частоты с непосредственной связью – асинхронный двигатель

Существующие вентильные (полупроводниковые) преобразователи частоты можно разделить на две группы:

1 – преобразователи с непосредственной связью питающей сети и нагрузки, сокращенно НПЧ;

2 – преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

Преобразователь частоты с непосредственной связью включается в статорную цепь асинхронного двигателя и служит для преобразования напряжения стандартной частоты в регулируемое в определенных пределах напряжение по величине и частоте.

Преобразователи частоты с непосредственной связью обычно представляют собой три согласованно работающих реверсивных тиристорных преобразователя постоянного тока. Схема непосредственного преобразователя частоты представлена на рис.6.7.

Каждая фаза асинхронного двигателя питается от своего реверсивного преобразователя. Напряжение, прикладываемое к обмотке статора, будет равно:

_.

где: U_с – напряжение питающей сети.

Если угол регулирования α устанавливать в соответствии с текущим значением частоты, например,

и поддерживать неизменным в течение одного полупериода выходной частоты преобразователя, а в течение второй полуволны переключать группы вентилей преобразователя с углом управления , то получим переменное напряжение прямо-угольной формы заданной частоты. Сдвинув моменты включения преобразователей, питающих фазы В и С двигателя соответственно наи, получим трехфазную систему напряжений прямоугольной формы заданной частоты и соответствующей ей амплитуды напряжения (рис.6.8).

Если величину α_в и α_н в течение каждого полупериода заданной частоты регулировать по арккосинусоидальному закону

где: , то среднее значения фазных напряжений будут иметь синусоидальную форму

.

Для получения приемлемой формы выходного напряжения частота напряжения питающей сети должна быть в несколько раз выше частоты выходного напряжения.

Преобразователи частоты с непосредственной связью по схеме рис.6.7 дают возможность при частоте питания 50 Гц получать выходную частоту в пределах 0-20 Гц. Поэтому асинхронные электроприводы данного типа чаще всего применяются для тихоходных безредукторных электроприводов средней и большой мощности.

Основным достоинством преобразователей частоты с непосредственной связью является естественная коммутация вентилей под действием напряжения питающей сети, как это происходит в управляемых тиристорных преобразователях (выпрямителях), используемых в приводе постоянного тока. Благодаря возможности перевода преобразователя из выпрямительного в инверторный режим, в рассматриваемых схемах возможно торможение асинхронного двигателя с отдачей энергии торможения в сеть (рекуперативное торможение). Механические характеристики асинхронного электропривода с преобразователем частоты с непосредственной связью показаны на рис.6.9.

6.4. Электропривод по системе преобразователь частоты типа автономный инвертор – асинхронный двигатель

В этой системе используются преобразователи частоты с промежуточной цепью постоянного тока. Схема такого преобразователя представлена на рис.6.10.

Переменное напряжение промышленной сети сначала выпрямляется посредством регулируемого или нерегулируемого выпрямителя UD, а затем подается на автономный инвертор, преобразующий постоянное напряжение (или ток) в напряжение (или ток) регулируемой частоты и величины.

Регулирование величины напряжения (или тока) промежуточного звена постоянного тока может производиться управляемым выпрямителем UD, либо (в инверторах напряжения) в качестве первого звена используется неуправляемый выпрямитель, а регулирование напряжения осуществляется инвертором методом широтно-импульсной модуляции. В первом случае функции управления четко разделены: выпрямитель управляет величиной тока или напряжения, а инвертор – значением выходной частоты преобразователя. Во втором случае обе этих функции возлагаются на инвертор.

Важным узлом преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока является фильтр F. Этот фильтр выполняет две функции: сглаживает пульсации выпрямленного напряжения (или тока) и служит устройством для накопления и отдачи энергии, что необходимо для обеспечения циркуляции реактивной мощности между обмотками асинхронного двигателя и фильтром. Поскольку на входе преобразователя установлен полупроводниковый выпрямитель, то циркуляция реактивной мощности между асинхронным двигателем и сетью невозможна.

Преобразователи частоты по типу автономного инвертора, используемые в электроприводах, позволяют получать выходную частоту от долей герца до нескольких сотен Гц. Верхний предел ограничивается возможной частотой коммутации вентилей инвертора, нижний – качеством выходного напряжения или тока; при несинусоидальной форме тока в обмотках двигателя при малых частотах нарушается равномерность вращения ротора.

При частотно-токовом управлении асинхронным двигателем применяются автономные инверторы тока (см. рис.6.11). Отличительной особенностью этих инверторов является наличие мощного дросселя (индуктивного фильтра L) в цепи постоянного тока и отсутствие обратных диодов в мостовой схеме инвертора. Для коммутации тиристоров используются коммутирующие конденсаторы С. Переключение тиристоров VS1÷VS6 производится в порядке возрастания их номеров. Принцип коммутации состоит в следующем (см. рис.6.11). Пусть открыты тиристоры VS1 и VS2. Ток проходит через фазы двигателя «а» и «с». Конденсатор С₁₃ заряжен с положительным зарядом на верхней обкладке. При подаче отпирающего импульса на тиристор VS3 он открывается, и образуется короткозамкнутый контур С₁₃-VS1-VS3-C₁₃, по которому происходит перезаряд конденсатора С₁₃. Под действием тока перезаряда тиристор VS1 закроется, и ток далее будет протекать через тиристор VS3, фазы «в» и «с» двигателя и тиристор VS2. Полярность заряда конденсатора С₁₃ изменится на обратную. Затем открывается тиристор VS4 и ток переходит с фазы «с» на фазу «а» (в обратном направлении) и т.д. За время периода заданной частоты происходит 6 коммутаций тиристоров, в результате чего по обмоткам статора двигателя будет протекать трехфазный переменный ток заданной частоты.

Величина тока контролируется регулятором тока РТ, в соответствии с выходным сигналом которого изменяется угол управления тиристорами и на выходе выпрямителя UD устанавливается необходимая величина выпрямленного напряжения. Выходная частота преобразователя определяется блоком управления вентилями инвертора БУИ в соответствии с заданием частоты.

Достоинствами инвертора тока являются относительная простота схемы, возможность ее реализации на тиристорах, что позволяет выполнять преобразователи на большую мощность и высокое напряжение. В приводах с инвертором тока возможен режим рекуперативного торможения. Для этого, не изменяя направление тока в звене постоянного тока, управляемый выпрямитель переводится в инверторный режим (угол α устанавливается больше π/2).

Недостатками инверторов тока является несинусоидальная форма тока в обмотках статора, а также невозможность питания от одного преобразователя нескольких асинхронных двигателей. Из-за несинусоидальности формы тока при f₁<5 Гц теряется равномерность вращения ротора, что ограничивает диапазон регулирования скорости электропривода по схеме рис.6.11.

В настоящее время большинство преобразователей изготавливаются по схеме автономного инвертора напряжения. Это связано с появлением полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов: IGB – транзисторов и запираемых тиристоров. Типичная схема электропривода с инвертором напряжения на полностью управляемых приборах дана на рис.6.12. Схемной особенностью инвертора напряжения является наличие обратных диодов VD1-VD6 и фильтрового конденсатора С.

В отличие от инверторов тока, для которых характерным является работа в каждый момент времени по одному вентилю в анодной и катодной группах, в инверторах напряжения более целесообразна одновременная работа двух вентилей в одной группе и одного в другой. При этом продолжительность работы каждого вентиля составляет π. Допустим, что в некоторый момент времени работают транзисторные ключи VT1, VT2 и VT6. Тогда ток протекает по всем трем фазным обмоткам двигателя, причем 2/3 напряжения U_d прикладывается к фазе «а» и к двум параллельно включенным фазам «в» и «с» (см. рис.6.13). При запирании ключа VT6 и включении ключа VT3 ток в фазе «в» не может мгновенно измениться и замыкается через диод VD3 на конденсатор С, чем обеспечивается циркуляция реактивной мощности между обмотками двигателя и конденсатором С. После включения ключа VT4 ток будет протекать по параллельно включенным фазам «а» и «с» и по фазе «в» и т.д. Линейное фазное напряжение, прикладываемое к обмоткам двигателя, будет иметь форму, показанную на рис.6.13.

Требуемая выходная частота определяется частотой переключения вентилей инвертора и задается каналом регулирования частоты. Регулирование величины выходного напряжения может производиться двумя способами:

1. использованием управляемого выпрямителя на входе инвертора, с помощью которого регулируется величина U_d;

2. использованием способа широтно-импульсного регулирования, осуществляемого вентилями инвертора; в этом случае входной выпрямитель может быть неуправляемым.

Первый способ характеризуется двумя недостатками: ступенчатой формой выходного напряжения (см. рис.6.13) и низким коэффициентом мощности преобразователя.

Более современным является второй способ. При широтно-импульсном способе регулирования возможно не только регулирование средней величины напряжения за период, но и коррекция формы выходного напряжения. Такое регулирование называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), которая основана на принципе широтно-импульсного регулирования (см. раздел 5.4). Принцип широтно-импульсной модуляции синусоидального напряжения поясняется рис.6.14.

Так как для двуполярной коммутации

,

то, регулируя непрерывно скважность по синусоидальному закону, можно получить среднее фазное напряжение, также изменяющееся по синусоиде.

Изменяя с помощью системы управления амплитуду U_1* и угловую частоту , можно производить регулирование частоты и величины выходного напряжения преобразователя.

При использовании инверторов напряжения для реализации режима рекуперативного торможения асинхронного двигателя необходимо на входе устанавливать реверсивный преобразователь с двумя группами вентилей, что усложняет схему преобразователя и снижает ее надежность. Поэтому в инверторах напряжения обычно предусматривают разрядное сопротивление R (см. рис.6.12), которое подключается в режиме торможения транзистором VT7 и в котором рассеивается энергия торможения.

Существует большое число разновидностей схем преобразователей частоты с автономными инверторами тока и напряжения, которые рассматриваются в литературе по преобразовательной технике.