3 Автономные инверторы тока

Автономный инвертор тока обладает характеристиками источника тока и его выходным регулируемым параметром является ток асинхронного двигателя.

В качестве АИТ может быть использована транзисторная схема, представленная на рис. 3.1, а). В комплектных ПЧ часто используется схема АИТ, представляющая собой тиристорный инвертор тока с отсекающими диодами, схема которого представлена на рис. 3.1, б). Малые пульсации входного тока I_d обеспечиваются включением в цепь постоянного тока реактора со значительной индуктивностью. Кроме того, на входе АИТ устанавливается управляемый выпрямитель УВ, работающий в режиме регулятора тока АИТ выполняет функцию коммутатора фаз ключами VS1 - VS6 (полностью управляемыми тиристорами). Форма выходного тока на­грузки I_H определяется только порядком переключения ключей, а форма напряжения на нагрузке U_H зависит от характера нагрузки. В реальных схемах, как правило, используется отрицательная обратная связь по току I_d, воздействующая на напряжение U_d, что способствует поддержанию постоянства тока I_d. Полупроводниковые ключи, поочередно переключаясь, распределяют ток I_d по фазам нагрузки. Ток в нагрузке имеет прямоугольно-ступенчатую форму.

Но такая форма тока может быть легко реализована при активном характере нагрузки. Если же нагрузка носит активно-индуктивный характер, например, асинхронный двигатель, на выходе инвертора и на ключах VS1 - VS6 в моменты коммутации могут возникать недопустимые перенапряжения, обусловленные ЭДС самоиндукции нагрузки. Их ограничение может быть достигнуто установкой соответствующих конденсаторов достаточно большой емкости в схемах коммутации ключей в случае использования полууправляемых вентилей (например, однооперационных тиристоров).

Конденсаторы могут быть установлены в цепи нагрузки (рис. 3.1), если используются полностью управляемые ключи (как правило, запираемые тиристоры либо силовые транзисторы). В некоторых случаях применяют специальные схемы ограничения коммутационных перенапряжений.

а)

б)

Рисунок 3.1 – Схема силовой части преобразователя частоты с АИТ

Главное отличие схемы с АИТ от АИН - отсутствие шунтирующих обратных диодов. Вследствие этого можно изменить полярность напряжения на входе АИТ и при неизменном направлении тока I_d перевести двигатель в инверторный режим. Так, например, при достижении асинхронным двигателем скорости, превышающей синхронную, он переходит в генераторный режим. Так как скорость АД в этом случае становится выше синхронной, фазовый угол нагрузки становится π/2<φ<π. При этом АИТ работает в режиме выпрямителя и изменяет направление противо-ЭДС инвертора. ЭДС инвертора оказывается согласованной с полярностью напряжения U_d на выходе выпрямителя, т.е. инвертор переходит в режим работы выпрямителем, что должно было бы вызвать увеличение тока I_d в звене постоянного тока.

Но за счет сильной отрицательной обратной связи по току, которой охвачен выпрямитель, ток I_d сохраняется на прежнем уровне посредством уменьшения выходного напряжения выпрямителя U_d и далее изменения его полярности. Т.е. выпрямитель переходит в режим ведомого сетью инвертора, поэтому происходит рекуперация энергии в сеть без изменения направления тока I_d. Следовательно, основным достоинством АИТ является то, что в отличие от АИН здесь легко реализуются тормозные режимы двигателя с рекуперацией энергии в сеть, что делает предпочтительным его применение в реверсивных электроприводах. Достоинством АИТ является также отсутствие конденсаторной батареи в звене постоянного тока, что уменьшает габариты и массу ПЧ. В АИТ имеет место однозначная зависимость тока в звене постоянного тока от тока нагрузки.

Действующее значение тока нагрузки I_s и его основная гармоника I_s1 связаны с постоянным током I_d, потребляемым от источника однозначными соотношениями:

; (3.1)

(3.2)

Напряжение на выходе АИТ и его форма определяются нагрузкой и ее характером. Действующее значение первой гармоники напряжения на нагрузке можно определить из условия равенства мощностей, потребляемых инвертором и нагрузкой. Пренебрегая потерями в вентилях и потерями в нагрузке от высших гармоник, можно записать

(3.3)

или с учетом (3.2) действующее значение первой гармоники выходного напряжения инвертора равно

. (3.4)

Выпрямленное напряжение источника питания в этом случае определится

. (3.5)

Таким образом, напряжение на нагрузке при постоянном напряжении источника питания (U_d = const) не сохраняется постоянным, а изменяется приблизительно пропорционально коэффициенту мощности нагрузки. Если нагрузкой инвертора является машина переменного тока, то изменение момента нагрузки на ее валу приводит к существенному изменению напряжения на ее выводах, что в большинстве случаев недопустимо. Поэтому в системах автоматизированного электропривода с АИТ используются различные обратные связи, направленные на стабилизацию напряжения на двигателе или на регулирование его по заданному закону с целью обеспечения необходимого магнитного потока машины. Напряжение в звене постоянного тока можно ориентировочно определить исходя из баланса мощностей на входе и выходе АИТ

, (3.6)

где - среднее падение напряжения на сглаживающем реакторе;

- падение напряжения на открытом тиристоре;

- падение напряжения на проводящем неуправляемом вентиле.

Действующее значение линейного напряжения на входе ПЧ

, (3.7)

где - минимальный угол включения тиристоров в управляемом выпрямителе ( =15+20°).

Полученное значение напряжения U_c должно соответствовать напряжению питающей сети. В противном случае согласование напряжений можно производить путем изменения угла .

Сглаживающий реактор L₀ в звене постоянного тока АИТ необходим для ограничения пульсаций тока I_d, возникающих вследствие пульсаций напряжения на выходе УВ и на входе АИТ. Величина индуктивности L₀ может быть определена

. (3.8)

где =(5-10)% - пульсации тока I_d;

= 314 - угловая частота напряжения сети.

Серьезным недостатком инверторов тока АИТ является необходимость ограничения перенапряжений, что увеличивает время коммутации вентилей, а значит, ограничивает максимальное значение частоты на выходе АИТ (50 ...100 Гц).

Этот недостаток АИТ вынуждает применять специальные устройства для гашения или отдачи в питающую сеть накопленной в нагрузке реактивной энергии, что усложняет силовую схему АИТ.

Кроме того, применение управляемого выпрямителя повышает потребление из сети реактивной мощности.

В ПЧ с АИТ обеспечивается также ограниченный диапазон регулирования частоты, а значит и скорости АД.

Недостаток АИТ заключается также в том, что имеются жесткие ограничения в соотношении мощности АИТ и АД, что невозможна работа при отключенном АД и многодвигательном приводе с изменяющимся числом АД. Потери в АД от высших гармоник при питании его от АИТ существенно больше, чем в случае питания двигателя от АИН.

В отличие от АИН, внешняя характеристика АИТ мягкая. Работа АИТ при холостом ходе невозможна из-за чрезмерного возрастания напряжений на элементах инвертора. Кроме того, в отличие от АИН, работа АИТ на машину переменного тока возможна только в замкнутой системе автоматического регулирования.

Малое количество силовых вентилей делает соизмеримым по стоимости, габаритам и массе реверсивный частотно-управляемый привод переменного тока с реверсивным приводом постоянного тока при лучших динамических качествах первого. В схемах АИТ можно использовать обычные однооперационные тиристоры из-за отсутствия специальных требований к динамическим характеристикам тиристоров.

ПЧ и АИТ по отношению к нагрузке являются источником пе­ременного тока, что в сочетании с частотно-токовым управлением АД позволяет создавать достаточно простые, быстродействующие системы привода, обладающие высоким качеством переходных процессов. Эти и указанные ранее положительные качества ПЧ и АИТ предопределяют применение предпочтительно этого ПЧ в одиночных реверсивных приводах, работающих в повторно-кратковременном режиме.