Автономные инверторы напряжения
В настоящее время в частотно-регулируемом асинхронном электроприводе преимущественно применяют преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока, построенные на основе автономных инверторов напряжения.
Структурная схема преобразователя частоты на основе автономного инвертора напряжения представлена на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2-Схема трехфазного АИН
АИН в звене постоянного тока содержит LC – фильтр Ф (либо только емкость C) (рисунок 2.2). В АИН имеет место однозначная зависимость напряжения в звене постоянного тока от напряжения на нагрузке, и поэтому он является источником напряжения. Благодаря наличию емкости С, при работе инвертора как источника напряжения на активно-индуктивную нагрузку, каковым является асинхронный двигатель (АD), обеспечивается обмен реактивной энергией между АD и звеном постоянного тока. Кроме конденсаторов для этой цепи необходимы обратные диоды VD1 – VD6, включенные параллельно основным ключам VT1 – VТ6. Через эти диоды протекает ток в моменты возврата реактивной энергии от двигателя в емкость С. Ток в цепи на участке между инвертором АИ и емкостью С при низких cos нагрузки может менять направление. Форма напряжения на выходе АИ определяется порядком переключения ключей VТ1 – VТ6. Фильтр LC обеспечивает сглаживание пульсаций напряжения с выхода выпрямителя (В). В АИН отсутствует рекуперация энергии в питающую сеть. Чтобы обеспечить ее при генераторном режиме работы АD (в случае интенсивного торможения двигателя) устанавливают второй комплект выпрямителя, который должен быть управляемым (УВ). Для обеспечения вместо рекуперации режим динамического торможения устанавливают ключ и блок тормозных резисторов (ключ VТ7 и резистор R) [4].
Положительным качеством АИН является возможность работы его как источника напряжения, питающего одиночный двигатель или группу двигателей, в разомкнутых системах регулирования скорости АД с различными принципами управления. Недостатки АИН в том, что требуются высокие значения емкости С, большие габариты конденсаторной батареи, а также трудность обеспечения рекуперации электрической энергии в сеть в тормозных режимах. Поэтому АИН находит широкое применение в частотно-регулируемых асинхронных электроприводах.
Способы регулирования выходного напряжения преобразователей частоты с аин
Применяют три структурных варианта преобразователей частоты с АИН, отличающихся методом регулирования напряжения [3,4]:
1) амплитудное регулирование напряжения с помощью управляемого выпрямителя;
2) амплитудно-импульсное регулирование напряжения с помощью неуправляемого выпрямителя и широтно-импульсного преобразователя на входе автономного инвертора;
3) широтно-импульсная модуляция (ШИМ), осуществляемая в АИН, который в этом случае выполняет функции регулятора напряжения и частоты.
При третьем варианте регулирования первой гармоники выходного напряжения ПЧ для достижения высокого коэффициента мощности источника питания используются неуправляемый выпрямитель и широтно-импульсная модуляция (ШИМ) выходного напряжения инвертора с целью получения близкой к синусоиде формы этого напряжения. В этом случае осуществляется модуляция напряжения несущей части (частоты коммутации ключей) сигналом основной частоты. Структурная схема преобразователей частоты на основе АИН с ШИМ представлена на рис. 2.3.
Рисунок 2.3 - Схема преобразователя частоты АИН с ШИМ
Регулирование частоты и величины выходного напряжения осуществляется за счет использования алгоритмов высокочастотного ШИМ-управления. Частота ШИМ составляет от двух до двенадцати килогерц, то есть во много раз превосходит выходную частоту АИН. Форма кривой выходного напряжения при этом представляет собой высокочастотную двухполярную последовательность прямоугольных импульсов. Частота импульсов определяется частотой ШИМ. Длительность импульсов в течение периода выходной частоты АИН промодулирована по синусоидальному закону. Форма кривой выходного тока, то есть тока АД, практически синусоидальна.
Достоинства структуры регулирования электроприводами на основе АИН с ШИМ:
1) практически неограниченный диапазон регулирования частоты и скорости;
2) некритичность к мощности и количеству подключенных АД, возможностью работы в режиме холостого хода и при отключенных АД;
3) высокий коэффициент мощности (cos) во всех режимах работы;
4) синусоидальность выходного тока, плавное бесскачковое вращение АД на скоростях, близких к нулевым;
5) высокие динамические показатели электропривода, обусловленные высоким быстродействием ШИМ-управления.
На основе вышесказанного выбираем для проектирования преобразователь частоты, построенный на основе автономных инверторов напряжения АИН с широтно-импульсной модуляцией ШИМ.