Анализ вариантов построения систем преобразователь частоты - асинхронный двигатель

Существующие вентильные (полупроводниковые) преобразователи частоты можно разделить на две группы [4]:

- преобразователи частоты с непосредственной связью;

- преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

Электропривод по системе преобразователь частоты с непосредственной связью - асинхронный двигатель

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. Блок схема непосредственного преобразователя частоты представлена на рисунке 3.5

Каждая фаза асинхронного двигателя питается от своего реверсивного

преобразователя. Напряжение, прикладываемое к обмотке статора U_ф, В, будет равно:

Рисунок 3.5

(3.2)

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

(3.3)

и поддерживать неизменным в течение одного полупериода входной частоты преобразователя, а в течение второй полуволны переключать группы вентилей преобразователя с углом управления , то получим переменное напряжение прямоугольной формы заданной частоты. На рисунке 2.7 приведены эпюры напряжений преобразователя частоты с непосредственной связью при прямоугольной форме напряжения.

Рисунок 3.6

Сдвинув моменты включения преобразователей, питающих фазы В и С двигателя соответственно на 2/3π и 4/3π , получим трехфазную систему напряжений прямоугольной формы заданной частоты и соответствующей ей амплитуды напряжения.

Преобразователи частоты с непосредственной связью по схеме (рисунок 2.6) дают возможность при частоте питания 50Гц получать выходную частоту в пределах 0-20Гц. Поэтому асинхронные электроприводы данного типа чаще всего применяются для тихоходных безредукторных электроприводов средней и боль­шой мощности.

Электропривод по системе преобразователь частоты типа автономный инвертор - асинхронный двигатель

В этой системе используются преобразователи частоты с промежуточной цепью постоянного тока. Блок схема такого пре­образователя представлена на рисунке 2.8.

Рисунок3.7

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 в инверторе методом широтно-импульсного регулирования. 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 неуправляемый

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 - он переходит в режим «шагания».

При частотно-токовом управлении асинхронным двигателем применяются автономные инверторы тока. 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.

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.

Недостатками инверторов тока является несинусоидальная форма тока в обмотках статора, а также невозможность питания от одного преобразователя нескольких асинхронных двигателей.

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 рисунке 2.9. Схемной особенностью инвертора напряжения является наличие обратных диодов и фильтрового конденсатора С.Требуемая выходная частота определяется частотой переключения вентилей инвертора и задается каналом регулирования частоты. Управление частотой и напряжением на выходе преобразователя осуществляется путем воздействия, соответственно, на системы управления инвертора и управляемого выпрямителя. В системе управления инвертора сигнал задания частоты преобразуется в длительность сигналов управления, подаваемых на транзисторы в соответствии с установленным алгоритмом. На рисунке 2.10 представлены напряжения на выходе преобразователя частоты с управляемым выпрямителем: u_A, u_B, u_C – фазные; u_AB – линейное.

управляемым выпрямителем: u_A, u_B, u_C – фазные; u_AB – линейное.

Рисунок 3.9

Рисунок 3.10

Алгоритм переключения ключей при угловой длительности замкнутого состояния ключей, равной π, представлен в верхней части рисунка. В каждый данный момент времени замкнуты три ключа. Состояние ключей изменяется через каждую шестую часть периода, определяемую длительностью Δt = π/(3ω_0ЭЛ). Изменение сигнала задания частоты на входе СУИ приводит к изменению этой длительности, т.е. к изменению частоты ω_0ЭЛ напряжения на выходе.

Последовательность замыкания ключей 1-2-3-4-5-6 соответствует определенному направлению вращения двигателя. Для изменения его эта последовательность изменяется на обратную. Ниже на рисунке показаны фазные напряжения u_1A, u_1B, u_1C, значения которых на каждой шестой части периода определяются. Там, же приведено одно из линейных напряжений.

Регулирование величины выходного напряжения может производиться двумя способами:

• использованием управляемого выпрямителя на входе преобразователя, с помощью которого регулируется величина U_d;

• использованием способа широтно-импульсного регулирования, осуществляемого вентилями инвертора (в этом случае входной выпрямитель может быть принят неуправляемым).

Первый способ характеризуется двумя недостатками, ступенчатой формой выходного напряжения и низким коэффициентом мощности преобразователя. При втором способе регулирования возможно не только регулирование средней величины напряжения за период, но и корректировка формы выходного напряжения. Такое регулирование называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Так же в инверторах напряжения предусматривают разрядное сопротивление R_Т (рисунок 2.9), которое подключается в режиме торможения транзистором VT_Т и в котором рассеивается энергия торможения.