ВЭМС_ЗФ_2014 / ВЭМС_1-3_2014

51

2)нагрузка имеет активный характер (если нагрузкой является АД, то

еехарактер будет активно-индуктивный).

Если тиристоры VS1...VS6 закрыты (управляющие импульсы от блока управления на них не подаются), то все напряжение с выхода трансформатора прикладывается к закрытым тиристорам и напряжение на статоре равно нулю.

Если подать от блока управления импульсы на тиристоры VS1 в момент времени t1, на VS2 - в момент t2 и на VS3 - в момент t3, то в эти моменты времени потенциалы анодов тиристоров более высокие, чем катодов, то они откроются и к фазе статора будет приложено напряжение, соответствующее участкам трех синусоид вторичных напряжений трансформатора Uа, Ub и Uс. Если снять управляющие импульсы с тиристоров VS1... VS3 и подать импульсы на тиристоры VS6, VS4 и VS5 в моменты времени t5, t6 и t7 то на нагрузке также образуется напряжение, соответствующее участкам трех синусоид, но уже противоположной полярности. При поочередном открытии групп тиристоров VS1...VS3 и VS4...VS6 кривая U1рег будет периодически повторяться. Таким образом, к фазе обмотки статора подводится напряжение переменного тока с периодом Трег и частотой fрег=1/Трег. Период Трег этого напряжения больше, чем период сетевого напряжения Т1, что означает, что частота напряжения на выходе НПЧ, чем частота питающего напряжения. Соотношение между этими величинами для трехфазной схемы определяется как

Трег = T1 [3 + 2(h - 1)]/3,

где h - 2, 3,...- число открываемых тиристоров в комплекте.

НПЧ может обеспечивать регулирование частоты на статоре АД только в сторону: ее уменьшения по сравнению с сетевой.

Расширение диапазона регулирования частоты на выходе ПЧ достигается введением паузы ∆tn между моментом снятия импульсов управления с тиристоров VS1... VS3 и подачей их на тиристоры VS4... VS6. В этом случае выходная частота

fpег = 3·f1/(3 + 2(h-1) + ∆tn·f1).

52

Рисунок 3.22 - Временные диаграммы выходного напряжения НПЧ

НПЧ также позволяют регулировать величину напряжения U на выходе, для чего управляющие импульсы на тиристоры подаются не в моменты t1, t2, t3,... (рисунок 3.22), а с некоторой задержкой, которая соответствует углу управления тиристорами α. Действующее напряжение на нагрузке при непрерывном токе:

Uрег = √2·m1·Uф sin(π/m1)cos(α/π) = Uрег.max cos(α),

где m1 - число фаз питающего напряжения; Uф - фазное напряжение сети.

Изменяя с помощью СИФУ момент подачи импульсов на тиристоры, можно регулировать напряжение нагрузки от 0 (α=90°) до максимального значения (α=0).

Одним из недостатков схемы, показанной на рисунке 3.21, является необходимость наличия нулевого вывода трансформатора и обмоток статора АД. Поэтому на практике распространение получили мостовые схемы ПЧ, в которых нулевой провод отсутствует.

3.11 ПЧ со звеном постоянного тока

Двухзвенный преобразователь частоты со звеном постоянного тока :

-автономный инвертор (напряжения или тока);

-система управления инвертора (СУИ);

-управляемый выпрямитель (УВ);

-система управления УВ;

-LC-фильтр на выходе УВ, предназначенный для сглаживания выпрямленного напряжения Ud;

-тормозной резистор RT, включаемый тормозным прерывателем Кт при переходе АД в режим торможения, для рассеивания энергия торможения.

53

Управляющим воздействием является сигналы задания напряжения на входе СУВ и задания частоты на входе СУИ.

Наиболее распространенной схемой силовой части АИН является трехфазная мостовая схема, состоящая из шести управляемых ключей с двухсторонней проводимостью (транзисторы с включенными параллельно транзисторам диодами обратного тока)

Рисунок 3.23 - ДПЧ с УВ и инвертором напряжения

Управление частотой ω0эл на выходе АИН осуществляется изменением задающего воздействия на входе СУИ, в которой сигнал задания частоты преобразуется в длительность сигналов управления, подаваемых на транзисторы инвертора в соответствии с установленным алгоритмом.

Диаграмма состояния ключей инвертора при угловой длительности замкнутого состояния ключей (открытого состояния), равной π, представлена на рисунке 3.24. В каждый данный момент времени замкнуты три ключа. Состояние ключей изменяется через каждую шестую часть периода ∆t= π/(3ω0эл). Последовательность замыкания ключей 1—2—3—4—5—6 соответствует определенному направлению вращения двигателя.

54

Рисунок 3.24 - Диаграмма состояния ключей ПЧ с АИН

Выходное напряжение можно представить как сумму гармонических составляющих:

			2 3		1		1
	U AB	(ν ) =		U d sin(ν ') −		sin( 5ν ') +		sin( 5ν ') + ...) ,
			π		5		7

где ν = ω0элt и ν '= ω0элt + π / 6 .

3.12 ПЧ с ШИМ-модуляцией

Наиболее распространен тип ПЧ с ШИМ с неуправляемым выпрямителем напряжения в звене постоянного тока. При этом напряжение на входе инвертора не меняется, а регулирование выходного напряжения осуществляется методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ или RPW), которые используют в качестве силовых ключей биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

Принцип ШИМ показывается на примере однофазного инвертора, получающего питание от источника постоянного напряжения со средней точкой, структура которого показана на рисунке 3.25. Нагрузка ZH (фаза АД) включена между средней точкой источника питания и точкой соединения электронных ключей 1 и 2, каждый из которых включает в себя транзистор, работающий в ключевом режиме и диод обратного тока. Система управления транзисторными ключами содержит в своем составе нуль-орган (НО) и формирователи Ф1 и Ф2. На входе нуль-органа сравниваются задающий сигнал u* и пилообразное опорное напряжение uоп.

55

Рисунок 3.25 - Схема и диаграммы однофазного ШИМ-инвертора

Если u*>uоп (разность u*-uоп положительна), то сигнал на выходе НО положителен, а формирователь Ф1 выдает положительный сигнал f1*, замыкающий ключ 1. К Zн подключатся напряжение 0.5Ud, у которого слева «плюс», а справа — « минус». При отрицательной разности u*-uоп замыкается ключ 2 - напряжение на Zн становится отрицательным -0.5Ud. Среднее значение напряжения на выходе определяется как:

	U = 0.5U d (1 − 2T2 / Tшим ) ,
	Tшим=T1+T2=1/fшим,
где	T1 и T2 – время замкнутого состояния ключей 1 и 2;
	Tшим и fшим – период и частота широтно-импульсной модуляции.
	U = 0.5	U d		u * = kиu * ,
	U опm
где	kи – передаточный коэффициент			инвертора в линейной части

характеристики При синусоидальном управляющем сигнале с частотой ω0эл напряжение

на выходе инвертора, рассматриваемое за время t>2π/ω0эл, представляет гармоническую кривую, содержащую наряду с первой гармоникой, которая имеет частоту управляющего сигнала, ряд гармонических составляющих более высокого порядка. Если амплитуда u* не превышает значения Uoпm, то первая гармоника напряжения на выходе инвертора в масштабе повторяет управляющий сигнал. Изменение его частоты приводит к изменению частоты на выходе инвертора. Изменение амплитуды управляющего сигнала при неизменной частоте будет приводить к изменению соотношения длительностей положительных и отрицательных импульсов напряжения на выходе, т.е. изменению амплитуды его первой гармоники. На рисунке 3.25 показан вариант, когда частота опорного напряжения в 12 раз превышает частоту управляющего сигнала. В современных инверторах частота опорного напряжения (частота ШИМ) составляет от единиц до десятков килогерц при номинальной частоте напряжения на выходе инвертора fн=ω0эл/(2π)=50 Гц. При высокой опорной частоте ШИМ и активно-индуктивной нагрузке ток нагрузки оказывается практически синусоидальным.

56

Следует учитывать ряд отрицательных эффектов, связанных с повышением частоты ШИМ: наличие электромагнитных помех и возникновение перенапряжений в цепи нагрузки, что опасно для изоляции обмоток двигателя..

Схема трехфазного мостового инвертора (рисунок 3.26) включает три плеча с транзисторными ключами, каждое из которых выполнено аналогично плечу однофазного инвертора. Схема имеет общий для всех трех фаз источник пилообразного опорного напряжения uоп. Управляющие сигналы u1A*, u1B*, u1C* представляют трехфазную систему синусоидальных напряжений, сдвинутых между собой на 120°. Изменение частоты напряжения на выходе инвертора достигается изменением частоты управляющих сигналов, а изменение амплитуды – изменением Uопm.

Рисунок 3.26 – Структурная схема трехфазного ПЧ – АИН с ШИМ

3.13 Матричные преобразователи частоты (МПЧ)

Матричный преобразователь частоты (МПЧ) — современный тип силового преобразователя, построенный на основе сочетания свойств непосредственного преобразователей частоты (НПЧ) и автономного инвертора напряжения (АИН) с системой векторного управления. Сочетание многих положительных свойств в матричных структурах достигается применением запираемых вентильных ячеек с двусторонней проводимостью тока. Каждая из ячеек чаще всего выполняется в виде бивентиля на двух встречно-включенных транзисторах, зашунтированных обратными диодами. Наибольшее

57

распространение получила схема МПЧ на 9 бивентилях показанная на рисунке

3.27.

Рисунок 3.27 - Схема МПЧ на 9 двойных вентилях

3.14 Основы выбора и периферийное оборудование ПЭЭ в составе

АЭП

В состав ПЭЭ для АЭП входит следующее электрооборудование:

1)собственно силовой преобразователь;

2)трансформатор для согласования напряжения питающей цепи с требуемым значением на выходе ПЭЭ или токоограничивающие реакторы;

3)входной фильтр для обеспечения требований электромагнитной совместимости (ЭМС) ПЭЭ с питающей сетью;

4)выходной фильтр для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (для двигателей постоянного тока) или ограничения скорости изменения выходного напряжения du/dt (для преобразователей частоты);

5)система защиты ПЭЭ от токов короткого замыкания в виде внешнего быстродействующего автоматического выключателя или плавких предохранителей;

6)задающее устройство (в простейшем случае переменный резистор) для управления ПЭЭ и АЭП в целом;

7)датчики обратных связей для цепей защиты и регулирования координат АЭП.

Обобщенный алгоритм выбора ПЭЭ включает следующие этапы:

58

1)выбор силовой схемы ПЭЭ (типа преобразователя) выполняется на основе анализа требований.