6.4. Автономные управляемые инверторы

Преобразователь частоты является важнейшим звеном элек­тропривода переменного тока- Он во многом определяет мощность, экономичность и диапазон регулирования частоты вращения двига­телей переменного тока. Тип преобразователя определяет структуру системы управления. Различные типы преобразователей частоты, нашедшие применение в области частотного регулирования, подраз­деляются на две группы, отличающиеся по используемым техниче­ским средствам и структуре. Первую группу составляют вращающиеся преобразователи, выполненные в виде специальных электри­ческих машин или их каскадов (см. 7.4), вторую группу составляют статические преобразователи частоты, выполненные на базе полу­проводниковых элементов. Последние подразделяют на непосредст­венные преобразователи частоты и преобразователи частоты со зве­ном постоянного тока (автономные инверторы).

Автономные управляемые инверторы представляют собой преобразователи частоты, в которых осуществляется преобразование синусоидального напряжения сети в постоянное напряжение, а затем преобразование постоянного напряжения в переменное напряжение изменяемой частоты. Преобразователь частоты выполняет одновре­менно две функции: энергетическую - питания двигателя и управ­ляющую - регулирования частоты вращения. Создание бесконтакт­ных электроприводов на базе электродвигателей переменного тока (асинхронных, синхронных, синхронно-реактивных) связано с выбо­ром инвертора, который преобразует постоянный ток в переменный необходимой формы и фазности, позволяет управлять значениями среднего напряжения и частоты, в соответствии с законом, необхо­димым для создания вращающего момента электродвигателя.

Существующие инверторы могут быть разделены на два типа:

- инверторы, в которых улучшение гармонического спектра достигается широтно-импульсной модуляцией;

- инверторы, в которых эта задача решается формированием многоступенчатых кривых выходного напряжения амплитуд­но-импульсной модуляцией.

Поскольку при амплитудно-импульсной модуляции необхо­дима установка выходных трансформаторов, этот подкласс инверто­ров уступает инверторам с ШИМ по массогабаритным и энергетиче­ским показателям.

В частотно управляемом электроприводе применяют различ­ные инверторы, отличающиеся видами коммутации тиристоров, схемами их соединения, способами регулирования выходного на­пряжения. В зависимости от способа коммутации тока тиристоров инверторы делятся на ведомые сетью и автономные (с искусствен­ной коммутацией). В инверторах ведомых сетью коммутация тока с тиристора на тиристор обеспечивается напряжением переменного тока источника питания. В автономных инверторах для коммутации тока используются дополнительные тиристоры, диоды, конденсато­ры и катушки индуктивности. Различные схемы принудительной коммутации тиристоров автономных инверторов приведены в /60/. Прекрасные осциллограммы, характеризующие процессы в автономных инверторах, представлены в /103/. Сведения о серийно выпус­каемых преобразователях частоты представлены в /111/.

Достоинством автономных инверторов является возможность получения напряжения любой требуемой частоты , а недостатком - двухкратное преобразование энергии, что снижает КПД и увеличи­вает массогабаритные показатели. Автономные инверторы могут выполняться как с понижающими трансформаторами так и без трансформаторов, что часто имеет место в приводах подач и главно­го движения станков с ЧПУ.

Автономные инверторы делятся на инверторы напряжения (АИН) и инверторы тока (АИТ). Во-первых, между звеном постоян­ного тока и инвертором включена конденсаторная батарея большой емкости, рис.6 .14,

Благодаря этому АИН имеют жесткую внешнюю характери­стику, когда при изменении тока нагрузки напряжение остается по­стоянным. Вследствие таких свойств при использовании АИН управляющими воздействиями на двигатель являются частота и ам­плитуда напряжения, АНН используется в разомкнутых электропри­водах, при управлении группой регулируемых электродвигателей. При питании от АИН активно-индуктивной нагрузки предусматри­вается обратный выпрямитель, что позволяет току в нагрузке проте­кать со сдвигом по фазе по отношению к напряжению. Выпрямлен­ное напряжение фильтруется с помощью конденсатора С_ф а затем с помощью автономного инвертора снова преобразуется в трехфазное переменное напряжение требуемой частоты. Недостаток АИН - большая масса и габариты конденсаторной батареи С_ф Конденсато­ры С_к служат для искусственной коммутации тиристоров инвертора. Для предотвращения разряда конденсаторов через нагрузку преду­смотрены отсекающие диоды V₃. Реакторы L₁ L₂ необходимы для ограничения тока разряда коммутирующих конденсаторов через обратные диоды /56/.

АИТ содержат источник тока, то есть на выходе управляемых выпрямителей перед инвертором имеются реакторы с большой ин­дуктивностью, рис. 6.15.

Для улучшения коммутации тиристоров применены коммути­рующие емкости, значительно большего номинала по сравнению с АИН, и отсекающие диоды. При коммутации к тиристорам прило­жено напряжение коммутирующего конденсатора, а к диодам - сум­марное напряжение конденсатора и двигателя.

При использовании АИТ управляющими воздействиями на двигатели являются частота и ток обмотки статора. АИТ предпочти­тельны для индивидуальных реверсивных электроприводов, рабо­тающих в повторно- кратковременном режиме. Важным преимуще­ством АИТ является возможность рекуперации энергии в сеть при торможении электродвигателя.

Регулирование напряжения в преобразователях частоты со звеном постоянного тока может быть реализовано различными пу­тями:

- за счет ис­пользования управляемого (тиристорного) выпрями­теля - фазо­вое управле­ние, рис.6.14 и 6.15;

- при исполь­зовании не­управляемого выпрямителя за счет вклю­чения перед инвертором широтно-импульсного преобразова­теля (ШИП), рис. 6.16;

- совмещение

функций регулирования частоты и напряжения в самом ин­верторе. Однако, это суще­ственно усложняет алго­ритм управления и пред­почтение отдается первым двум методам. Внешняя характеристика инвертора напряжения представ­ляет собой в идеальном случае прямую, параллельную оси абс­цисс, так как напряжение на на­грузке не изменяется с увеличени­ем тока. Внешняя характеристика инвертора тока нелинейна и носит падающий характер, рис. 6.17.

Тиристорный инвертор, представленный на рис. 6.16, позво­ляет получить улучшенный гармонический состав выходного напря­жения широтно-импульсной модуляцией.

Рассмотрим диаграмму формирования выходных токов (на­пряжений) фаз инвертора (рис. 6.14 и 6.15), представленную на рис. 6.18. При таком законе формирования фазных напряжений и токов по очереди включены только две фазы. В том случае, когда длительность импульса выходного напряжения инвертора составляет 2/3 длительности полупериода, в гармоническом спектре выходного напряжения отсутствуют гармонические кратные трем и коэффици­ент нелинейных искажений, показывающий степень приближения к синусоидальной форме, равен кн_И⁼ 31,2 % .

В случае форми­рования фазных токов по простейшему закону, как показано на рис. 6.18 век­тор магнитодвижущих сил имеет шесть позиций за один оборот (цикл). Дискретное вращения вектора МДС сопровож­дается дискретным вра­щением поля статора, что вызывает пульсации вра­щающего момента и со­ответственно частоты вращения электродвига­телей.

Плавность вращения вектора МДС можно улучшить прибли­жением напряжений фаз к квазисинусоидальной форме методом широтно-импульсного модулирования, рис.6.19. ШИМ позволяет также регулировать среднее значение напряжения. Точность аппроксима­ции синусоиды повышается по мере увеличения частоты коммута­ции силовых ключей.

К первому классу относятся инверторы, обладающие улуч­шенным гармоническим составом формируемого напряжения, что обеспечивает равномерное вращение вектора напряжения обмотки статора двигателя. Ко второму классу относят инверторы, обеспечи­вающие простейшую форму кривых выходного напряжения, что создает дискретное вращение вектора напряжения обмотки статора двигателя. Определенный интерес представляют инверторы с пере­страиваемой структурой, когда на высоких частотах вращения обес­печивается простейшая форма кривых выходного напряжения, а на низких частотах - форма с улучшенным спектром кривых выходного напряжения. В автономных инверторах между звеном постоянного тока и непосредственно инвертором имеется блок возврата энергии, предназначенный для повышения системы.

Диапазон частот выходного напряжения тиристорного инвер­тора от 1 до 100 Гц. В особых случаях достигаются частоты до 400 Гц. На больших инверторных частотах (f₂ = 50 Гц и выше) частота ШИМ относится к f₁ как 15: 1. На малых инверторных частотах (f₂ < 6 Гц) это отношение равно 168: 1. Регулируемый диапазон измене­ния частоты вращения двигателей переменного тока в разомкнутых электроприводах составляет 1: 30, а в замкнутых (при наличии об­ратной связи по скорости) равен 1: 1000 и более. Промышленностью выпускаются серийные преобразователи частоты: ТПЧ-15, ТПЧ-40, ТПЧ-63-1, имеющие диапазон регулирования частоты 5-60Гц.

Транзисторные инверторы. Более высоких частот ШИМ можно достичь в транзисторных инверторах. Автономный инвертор на базе транзисторных ключей показан на рис. 6.20. Транзисторные инверторы выполняют, как правило, инверторами напряжения так как транзисторы плохо воспринимают обратное напряжение. В от­личие от тиристорных инверторов в транзисторных АИН нет необ­ходимости в коммутирующих емкостях. Регулирование напряжения осуществляется широтно-импульсным способом. Диапазон частот выходного напряжения от долей герца до 200 Гц. Частота коммута­ции силовых транзисторов транзисторного инвентора равна 2-3 кГц, а для наиболее точных асинхронных электроприводов 4 кГц.

Автономные инверторы напряжения и тока являются основ­ным звеном частотно регулируемых электроприводов переменного тока (асинхронного и синхронного), а также вентильного электро­привода. Серийно выпускаются преобразователи: ПЧ-4-200 (номи­нальные частоты 50 и 100 Гц), ПЧ-3,5-3200 (номинальные частоты 200, 300, 400, 600, 800, 1200, 1600, 1920, 2400 и 3200 Гц).

Передаточная функция автономного инвертора тока и напря­жения, выполненного на базе тиристорных или транзисторных эле­ментов может быть представлена по аналогии с преобразователями частоты постоянного тока выражениями типа (6.9).