18.8.2 Импульсный регулятор напряжения питания

Импульсное регулирование частоты вращения асинхронных двигателей осуществляют путём периодического включения двигателя в сеть и выключения его из сети. При этом двигатель постоянно находится в переходном режиме ускорения и замедления частоты вращения ротора. В простейшем случае импульсное регулирование можно реализовать с помощью бесконтактного электронного ключа, например, применив фототиристорные оптроны. По энергетическим показателям импульсное регулирование частоты вращения двигателя эквивалентно методу изменения подводимого к обмотке статора напряжения, но проще реализуется.

а – принципиальная схема; б – изменение управляющих импульсов и частоты вращения во времени, ИРН – импульсный регулятор напряжения

Рисунок 18.15 - Импульсное регулирование электропривода с асинхронным двигателем

Диапазон колебаний частоты вращения при импульсном регулировании за время одного периода Т составляет от n_р до n_п и эти колебания тем меньше, чем больше момент инерции вращающихся частей двигателя и чем больше частота следования импульсов.

Примером реализации импульсного регулятора напряжения для универсального коллекторного двигателя вентилятора служит приведённая ниже схема.

~ 220 В

F N

МП – микропроцессор

Рисунок 18.16 - Принципиальная схема импульсного регулятора УКД вентилятора

лабораторного стенда № 5

В этой схеме двоичный код процессора преобразуется в прямоугольные импульсы компаратором, затем формируются пачки импульсов, которые усиливаются операционным усилителем и передаются на светодиод фототранзисторного оптрона управляющего состоянием электронного реле, питающего в импульсном режиме обмотки универсального коллекторного двигателя.

18.8.3 Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей изменением

частоты питающего статорные обмотки напряжения

Здесь будут рассмотрены принцип действия и функциональные особенности только преобразователей частоты переменного тока, которые в настоящее время широко применяются в электроприводе.

18.8.3.1 Краткое описание частотно-регулируемого электропривода

переменного тока

Современный частотно-регулируемый электропривод состоит из асинхронного или синхронного электрического двигателя и преобразователя частоты. Преобразователь частоты управляет электрическим двигателем и представляет собой электронное статическое устройство. На выходе преобразователя формируется электрическое напряжение с переменными амплитудой и частотой. Термин «частотно-регулируемый электропривод» обусловлен тем, что регулирование скорости вращения двигателя осуществляется изменением частоты напряжения питания, подаваемого на двигатель от преобразователя частоты.

Разработка преобразователей частоты на биполярных транзисторах с изолированным затвором , MOSFET и BIMOSFET позволила широко применять частотно-регулируемый электропривод для решения различных технологических задач в промышленности. В дальнейшем речь будет идти о трёхфазном частотно-регулируемом электроприводе, как наиболее распространённом.

Методы частотного управления.

В наиболее распространённом частотно-регулируемом электроприводе на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяют скалярное и векторное управление.

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

В статических преобразователях частоты чаще всего предусмотрено три основных вида нагрузки на валу двигателя:

а) Поддерживается постоянной перегрузочная способность двигателя, т.е. отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки

;

в этом случае коэффициент мощности и КПД двигателя во всём диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.

б) Для постоянного момента нагрузки стабилизируется отношение

;

здесь при малых частотах вращения, начиная с некоторого значения частоты, максимальный момент двигателя начинает уменьшаться. Для компенсации этого явления и увеличения пускового момента увеличивают амплитуду напряжения питания.

в) В случае вентиляторной (насосной) нагрузки реализуют зависимость

.

Скалярное управление применяют для диапазона регулирования частоты 1 : 40, что вполне достаточно для управления технологическими механизмами. Кроме того, этот вид управления можно использовать для одновременного управления группой электродвигателей.

Векторное (фазовое или динамическое) управление позволяет существенно увеличить диапазон регулирования частоты, снизить погрешность регулирования и повысить быстродействие электропривода. Сущность векторного управления состоит в дополнительном изменении фазы тока статора двигателя при изменении амплитуды питающего напряжения. Для управления фазой тока, т.е. положением полюсов вращающегося магнитного поля статора, необходимо знать положение ротора в каждый момент времени. Для этого устанавливают датчик положения вала ротора либо вычисляют его положение по значению токов и напряжений обмоток статора двигателя. Второй вариант затруднительно реализовать при скорости вращения двигателя близкой к нулевой. Векторное управление с датчиком скорости вращения двигателя обеспечивает диапазон регулирования скорости вращения до 1 : 1000 и выше, погрешность регулирования по скорости сотые доли процента, погрешность по поддержанию момента единицы процента.

В синхронном частотно-регулируемом приводе применяют те же методы управления, что и в асинхронном. Однако в чистом виде частотное регулирование синхронных двигателей используют только при малой мощности двигателя, когда моменты сопротивления небольшие, а инерционность приводимого механизма незначительна. В противном случае синхронный двигатель выходит из синхронизма. При большой мощности электропривода условию сохранения синхронизма отвечает только привод вентиляторов и центробежных насосов (т.н. «вентиляторная» нагрузка).

Для синхронных электроприводов большой мощности используется замкнутая система автоматического регулирования, в которой есть датчик положения ротора двигателя. Управление преобразованием частоты осуществляется в строгом соответствии с положением ротора синхронного двигателя.

Характеристика преобразователей частоты.

Преобразователь частоты – это устройство, которое предназначено для преобразования переменного тока (напряжения) одной частоты в переменный ток (напряжение) другой частоты. Частота выходного тока преобразователя может изменяться в широком диапазоне и быть как выше, так и ниже частоты питающей сети.

Электрическая схема любого преобразователя частоты состоит из силовой части и системы управления. Силовая часть обычно выполнена на тиристорах или транзисторах, которые работают в режиме электронных ключей. Система управления обеспечивает работу силовых симисторных или транзисторных ключей, контроль, диагностику состояния и защиту элементов электропривода.

Преобразователи частоты, которые применяют в электроприводе, в зависимости от структуры и принципа действия силовой части разделяются на две группы:

1. Преобразователи частоты с непосредственной связью (без промежуточного звена постоянного тока).

2. Преобразователи частоты с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.

Исторически первыми были разработаны преобразователи частоты с непосредственной связью, в которых силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на не запираемых тиристорах. Система управления поочерёдно отпирает группы тиристоров, подключая соответствующие обмотки статора двигателя к питающей сети. При этом «срезается» часть синусоиды каждой фазы, а трёхфазное синусоидальное напряжение вырождается в «пилообразное» напряжение меньшей частоты, которая не может быть равна или больше частоты питающего напряжения. Диапазон регулирования частоты вращения двигателя составляет 1:10.

«Пилообразная» форма переменного тока является источником возникновения колебаний электрического тока более высоких частот, который вызывает дополнительные потери энергии, перегрев двигателя, снижение момента и коэффициента мощности, сильные помехи в питающей сети.

Достоинствами электропривода, имеющего в своём составе преобразователь частоты с непосредственной связью, являются:

1. Самый высокий практический КПД (98,5 % и выше) среди всех приводов.

2. Способность работать с большими напряжениями и токами, что определяет возможность их применения в высоковольтных электроприводах.

3. Относительно низкая стоимость, несмотря на увеличение абсолютной стоимости из-за сложной системы управления и дополнительного оборудования.

Самое широкое применение в современных частотно-регулируемых электроприводах находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока. В этих преобразователях применяют двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в управляемом выпрямителе, фильтруется, сглаживается и затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды.

Двойное преобразование энергии приводит к снижению КПД. Для формирования выходного синусоидального переменного напряжения используют автономные инверторы напряжения и автономные инверторы тока. В электронных ключах применяют запираемые тиристоры GTO, их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT, MOSFET, BIMOSFET. Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия.

Преобразователи частоты на тиристорах в настоящее время занимают доминирующее положение в высоковольтном электроприводе в диапазоне мощности от сотен кВт до десятков МВт с выходным напряжением 3 – 10 кВ и выше. Однако тиристор является не полностью управляемым полупроводниковым прибором: для его включения достаточно подать короткий импульс на управляемый вход, а для выключения необходимо либо приложить обратное напряжение, либо снизить коммутируемый ток до нуля. Для этого требуется сложная система управления.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT и другие отличают от тиристоров полная управляемость, простая система управления, самая высокая рабочая частота. При этом расширяется диапазон управления скорости вращения двигателя, повышается быстродействие привода, а применение IGBT транзисторов в асинхронном приводе с векторным управлением позволяет на низких скоростях работать без датчика положения ротора, даёт более полную защиту от «бросков» тока и от перенапряжения. Высокая рабочая частота снижает уровень электрических колебаний других высоких частот, характерных для тиристорных преобразователей частоты. Одна из возможных схем частотного преобразователя переменного тока с использованием транзисторов с изолированным затвором приведена ниже.

Рисунок 18.17 - Схема частотного преобразователя переменного тока с использованием

обратноходового преобразователя (выделено на схеме)

Главным препятствием на пути использования IGBT транзисторов в высоковольтном приводе с прямым преобразованием частоты и при мощности больше 1 – 2 МВт являются технологические ограничения. Увеличение коммутируемого напряжения и рабочего тока приводит к увеличению размеров транзисторного модуля и требует эффективного отвода теплоты от кремниевого кристалла транзистора.