Схемотехнические решения преобразователей в электроприводах постоянного и переменного токов. Транзисторные и тиристорные устройства управления силовой частью электропривода.
Схемотехнические решения преобразователей в электроприводах, как уже отмечалось, остаются традиционными. Однако для улучшения энергетических характеристик схемы преобразователей претерпели значительные изменения.
Так
в электроприводах постоянного тока,
кроме управляемых выпрямителей (Рис.3.1),
для получения высокого быстродействия
применяют системы с неуправляемыми
выпрямителями и широтно-импульсными
преобразователями (Рис.3.2). В этом случае
можно не использовать фильтрокомпенсирующие
устройства.
ня
Рис. 3.1. С управляемым выпрямителем. Рис.3.2.С не управляемым выпрямителем и
ШИМ-преобразователем.
Преобразователи, используемые для управления вентильными двигателями (ВД) – (Рис.3.3), состоят из управляемого выпрямителя, аналогичного выпрямителю привода постоянного тока, и автономного инвертора, управляемого сигналами, поступающими от датчика положения ротора.
Рис.3.3.С управляемым выпрямителем и автономным инвертором.
Рис.3.4.С управляемым выпрямителем и Рис.3.5. С неуправляемым выпрямителем,
инвертором напряжения. ШИМ-преобразователем. Активный
выпрямитель.
В системах частотного управления АД преимущественно используются инверторы напряжения (Рис.3.4 и 3.5). Если необходимость рекуперации энергии в сеть переменного тока отсутствует, то используют неуправляемый выпрямитель, что позволяет применять простую и экономичную схему преобразователя (Рис.3.5). Возможность применения полностью управляемых приборов и ШИМ делает эту схему одной из широко используемых в большом диапазоне мощностей. При необходимости рекуперации энергии в сеть переменного напряжения в выпрямителях наряду с тиристорными инверторами используют транзисторные инверторы, схемы которых полностью аналогичны схеме автономного инвертора асинхронного двигателя. Такие схемы получили название активных выпрямителей или активных источников питания автономных инверторов.
Рис.3.6. ПЧ с инвертором тока.
Преобразователи частоты с инверторами тока (Рис.3.6) состоят из двух звеньев. Первое звено составляют управляемый выпрямитель на тиристорах и промежуточный контур постоянного тока – реактор, второе звено составляет автономный инвертор тока, выполненный на обычных однооперационных или запираемых (GTO) тиристорах. Автономный инвертор тока содержит конденсаторы, которые являются источником реактивной энергии для нагрузки.
Главное отличие схемы инверторов тока от инверторов напряжения заключается в отсутствии шунтирующих обратных диодов. Поэтому можно изменить полярность напряжения на входе инвертора и при неизменном направлении тока перевести двигатель в генераторный режим. Таким образом, при потреблении энергии из сети выпрямитель работает в режиме выпрямления, инвертор – в режиме инвертирования, электрическая машина – в двигательном режиме
(в первом или третьем квадрантах электромеханических координат).
Если двигатель переходит в генераторную область (второй или четвертый квадрант электромеханических координат), то инвертор должен работать управляемым выпрямителем, полярность напряжения на промежуточном контуре изменяется, ток в этом контуре не меняет своего направления, а управляемый выпрямитель переводится в инверторный режим.
К основным достоинствам преобразователей с инвертором тока относится возможность рекуперации энергии в сеть и безаварийность режима короткого замыкания по выходу. Основные недостатки преобразователей с инвертором тока: ограничение верхней границы диапазона регулирования выходной частоты (обычно f2мах=100…125 Гц); коммутационные перенапряжения на тиристорах АИТ; дополнительные потери в двигателе при несинусоидальной форме тока.
Преобразователи, содержащие неуправляемый выпрямитель и ведомый сетью инвертор и составляющие основу асинхронно-вентильного каскада (Рис.3.7), применяют в приводах большой мощности при ограниченном диапазоне регулирования скорости.
Рис.3.7. ПЧ с неуправляемым выпрямителем и ведомый сетью инвертор.
О пределенную перспективу развития имеют мощные преобразователи частоты с непосредственной связью в машинах двойного питания (Рис.3.8) и при управлении низкоскоростными асинхронными или синхронными двигателями (Рис.3.9).
Рис 3.8.Мощный ПЧ с непосредственной Рис. 3.9. ПЧ для управления
связью в машинах двойного питания. низкоскоростными асинхронными или
синхронными двигателями.
Рассмотренные схемы преобразователей охватывают диапазон мощностей от сотен ватт до десятков мегаватт. Наиболее интенсивное развитие в исследовании и применении имеют системы, приведенные на рис.3.3 и 3.5.
В системах многодвигательных электроприводов используют общие выпрямители для группы широтно-импульсных преобразователей или автономных инверторов. Достоинство таких схем состоит в возможности энергосбережения в результате передачи энергии торможения с двигателя на двигатель.
В аспекте использования электромеханических преобразователей (ЭМП) в составе регулируемых электроприводов, кроме двигателей постоянного тока, асинхронных и синхронных двигателей, все большее применение находят вентильные двигатели (ВД). Которые, являясь по существу синхронными двигателями, рассматриваются как двигатели постоянного тока, поскольку их питание осуществляется от сети постоянного тока через автономный инвертор, управляемый сигналами от датчика положения ротора. Вентильные двигатели имеют минимальную удельную массу по сравнению с любыми другими машинами. При их использовании удачно решаются вопросы конструирования механотронных модулей.
Все более широкое применение находит вентильно-индукторный электропривод (ВИП), основными достоинствами которого являются простота, технологичность, невысокая стоимость применяемого индукторного электродвигателя, сочитающиеся с широкими регулировочными возможностями. Мощность таких электроприводов от единиц до нескольких сотен киловатт и более.
Структура силовой части привода в случае его питания от трехфазной сети переменного тока аналогична структуре силовой части асинхронного привода (Рис.3.5). Автономный инвертор напряжения в данном случае выполняет функции коммутатора. При этом дополнительно используется датчик положения ротора для коммутации ключей, что выполняется аналогично вентильному приводу.
В современных схемах ВИП широко используются микропроцессорные средства управления, позволяющие в ряде случаев отказаться от применения датчика положения, а необходимую для работы информацию о положении ротора получать косвенно.
В диапазоне малых мощностей традиционно развиваются шаговые электродвигатели, которые в силу своих конструктивных особенностей обеспечивают создание компактных многокоординатных механотронных модулей с дискретными перемещениями.
Лекция 9