4. Принцип широтно-импульсной модуляции

На рисунке 2.4 представлены коммутационные функции, напряжения и токи АИН с ШИМ при опорном сигнале в форме несимметричной пилы.

С целью улучшения гармонического состава кривой выходного напряжения и регулирования его амплитуды применяются более сложные алгоритмы переключения транзисторов инвертора, при которых происходит дополнительная коммутация транзисторов в течение полпериода. ШИМ осуществляется за счет дополнительных переключений в 60⁰-градусной зоне той стойки вентилей, в которой замкнут один ключ в группе (при постоянно замкнутых ключах в противоположной). При включении этого ключа формируется импульс линейного напряжения, при его выключении и включении антипода нагрузка замыкается накоротко тремя ключами анодной, либо катодной группы трехфазного моста. Это переключение происходит в моменты совпадения напряжения управления U_y с опорным напряжением U_оп, которая имеет форму несимметричной, либо симметричной пилы с частотой _к (частота коммутации – несущая частота).

Рисунок 2.4 – Коммутационные функции, напряжения и токи АИН с ШИМ при опорном сигнале в форме несимметричной пилы.

При синусоидальной ШИМ с опорным напряжением U_оп(t) несимметричной либо симметричной пилообразной формы сравнивают три синусоидальных сигнала основной частоты  (U_уА, U_уВ, U_уС), и в моменты равенства U_оп и сигналов управления происходит переключение соответствующей стойки ключей [4].

Синусоидальные управляющие сигналы для фаз А, В, С имеют вид

;

;

,

где – амплитуда сигнала управления.

Выражение для основной гармоники линейного напряжения U_AB на нагрузке имеет вид

,

где – напряжение источника (напряжение в звене постоянного тока);

– угол фазового сдвига фаз.

Выражение для основной гармоники фазного напряжения U_A на нагрузке имеет вид

.

Следовательно, изменяя значение U_ум и , можно осуществлять регулирование амплитуды и частоты выходного напряжения.

2. Проектирование преобразователя частоты

1. Схема преобразователя частоты

В проектируемом преобразователе частоты применим наиболее распространенную схему ПЧ на основе АИН с ШИМ для управления короткозамкнутыми АД.

Рисунок 3.1- Функциональная электрическая схема ПЧ на основе АИН с ШИМ

2. Расчет мощности пч (инвертора)

Выпрямители и автономные инверторы преобразователей часто характеризуются ограниченной перегрузочной способностью. Поэтому выбор преобразователя частоты должен быть осуществлен в соответствии с реальной нагрузкой. Кроме того, автономные инверторы характеризуются следующими значениями токов :

1) номинальный длительно-допустимый ток, зависящий от температуры окружающей среды и максимально-допустимой температуры вентилей;

2) максимально-допустимый ток, учитывающий условия термической стабильности тиристоров либо транзисторов;

3) ограниченная величина тока коммутации, т.к. чрезмерные токи короткой длительности могут вызвать разрушение полупроводниковых элементов.

С учетом всего этого, автономные инверторы и преобразователи частоты характеризуются тремя значениями мощности в кВА:

1) номинальная мощность S_нп, т.е. максимальная мощность в длительном режиме на выходе ПЧ (инвертора);

2) кратковременная мощность (малой длительности) S_кр, которая может быть достигнута на выходе ПЧ при номинальном токе и максимально-допустимой температуре окружающей среды;

3) коммутационная мощность S_кт, представляющая собой максимальную мгновенную мощность, позволяющую обеспечить перегрузочную способность при коммутации.

Обычно полагают, что:

S_кт = 1,5 S_нп при t_p=1 мин,

S_кт = 2,0 S_нп при t_p =0,5c.

Если коммутационная мощность специально не оговаривается, то считают, что она равна кратковременной мощности ПЧ (S_кр = S_кт). Эта мощность намного меньше аналогичной мощности электрических машин. При прямом пуске с номинальным напряжением и частотой сети пусковые токи асинхронных двигателей превышают номинальный ток двигателя в 4-7 раз. В этом случае номинальный ток инвертора должен иметь такой же порядок, что приводит к завышению мощности инвертора, а значит и ПЧ. Приемлемые номинальные данные ПЧ могут быть получены либо при ограничении пускового тока двигателя, либо при пуске посредством изменения частоты от нуля (минимального значения) до номинальной. Но указанные мероприятия уменьшают момент двигателя, что замедляет процесс пуска двигателя. Кроме того, в многодвигательных электроприводах не всегда возможно осуществить одновременный пуск двигателей. Если двигатели пускаются индивидуально, то кратковременный ток инвертора не должен быть меньше суммы пусковых токов запускаемых двигателей и номинальных токов остальных двигателей.

В АИН с амплитудной модуляцией выходное напряжение инвертора имеет ступенчатую форму, поэтому при расчёте мощности ПЧ (АИН) необходимо учитывать также влияние высших гармоник, которые увеличивают действующее и максимальное значения токов инвертора (двигателя), зависящие от индуктивного сопротивления x_к обмоток двигателя

.

Показано, что для 6 - ступенчатой кривой выходного напря­жения действующее значение токов при номинальной нагрузке, выраженное в относительных единицах, равно:

.

Асинхронные двигатели работают при отстающем коэффициенте мощности, поэтому расчёт и выбор ПЧ необходимо производить с учётом реактивной мощности, подводимой к двигателю. При этом выпрямители рассчитывают на активную мощность, а инверторы (ПЧ) - на полную мощность.

Обычно асинхронные двигатели работают с постоянным моментом нагрузки, поэтому напряжение статора изменяется линей­но с частотой, а ток статора остаётся примерно постоянным при всех частотах. Поэтому полная мощность инвертора будет наибольшей при f_max. При питании двигателей обычного исполнения максимальная частота инверторов не превышает 150-200 Гц, т.к. при больших частотах существенно увеличиваются потери на коммутацию в инверторе и в стали двигателя. Эта максимальная мощность должна быть рассчитана при выборе ПЧ.

Номинально длительно-допустимая мощность инвертора

.

Мощность коммутации (максимальная), которая должна быть достаточной для протекания максимального мгновенного значения тока инвертора.

, при t_p= 1 мин;

, при t_p = 0,5c.

Кратковременная мощность инвертора должна быть достаточной для обеспечения пускового режима двигателя, то есть

.

Максимальный ток двигателя при пуске равен:

где кратность пускового тока.

Выбираем преобразователь частоты, исходя из следующих данных:

* , где – коэффициент запаса по току, не менее 1,2

*

* где перегрузочная способность.

*

* ,

где К_з =1,25 – коэффициент запаса мощности.

Учитывая перегрузочную способность преобразователя, номинальный ток ПЧ может быть принят

где – коэффициент перегрузки преобразователя частоты.

Полученное значение тока должно быть обеспечено при длительности этой нагрузки в течение 1 минуты. Однако пуск двигателя осуществляется за 1-2 секунды. При малых длительностях приложения максимальной нагрузки коэффициент перегрузки преобразователя частоты повышается. Поэтому выбор преобразователя частоты осуществляется по номинальному току и допустимой перегрузке преобразователя частоты.

В соответствии с заданными условиями выбираем преобразователь частоты типа ТРИОЛ-АТ04 - 22 с техническими данными, представленными в таблице 3.1.

Таблица 3.1-Технические данные преобразователя частоты типа ТРИОЛ-АТ04 - 22

Полная мощность ПЧ Sн, кВА	28
Номинальная мощность двигателя Рн,кВт	17/18.5/22
Питающая сеть. Выходное напряжение Uн, В	3380
Номинальный ток нагрузки Iн, А	45
Выходная частота f2, Гц	1 – 50
Ток перегрузки Imax, А	54

Электроприводы серии ТРИОЛ-АТ, предназначенные для автоматического управления различными производственными механизмами и комплексами с асинхронными двигателями, выполнены на основе двухзвенного ПЧ с транзистором (IGBT) АИН с ШИМ и оснащены многофункциональной микропроцессорной системой управления с развитым интерфейсом. Они применяются для АД напряжением 0,4 кВ мощностью от 5,5 до 315 кВт и АД напряжением 6 (10) кВ мощностью от 160 до 1600 кВ.

Электропривод АТ обеспечивает:

-включение и отключение АД;

-плавный разгон (частотный) с заданным темпом и ограничением пускового тока и момента АД;

-автоматическое регулирование частоты вращения АД и технологического параметра производственного механизма;

-оптимизацию параметров АД;

-эффективную защиту ПЧ, АД и питающую сеть от недопустимой нагрузки, токов короткого замыкания (К.З.), перенапряжений, недопустимых отклонений напряжения, неполнофазного режима работы АД и др.

В электроприводах реализовано частотное управление асинхронным двигателем, заключающееся во взаимосвязанном регулировании частоты f₁ и значения U₁ основной гармоники питающего напряжения. Закон изменения U₁ и f₁ программируется.

Серия электропривода ТРИОЛ-АТ включает в себя несколько рядов типоисполнений, отличающихся техническими характеристиками и функциональными возможностями.

Структурное обозначение электропривода имеет следующий вид:

ТРИОЛ АТ ХХ – ХХ – ХХХ…Х ,

1 2 3 4 5

. где 1 – корпорация ТРИОЛ;

2 – название серии электропривода: асинхронный, транзисторный;

3 – обозначение ряда типоисполнений электроприводов;

01 – общепромышленный;

02 – общепромышленный модифицированный;

03 – высоковольтный;

04 – интеллектуальный;

05 – высокодинамичный;

4 – номинальная мощность электропривода в кВт;

5 – характеристики типоисполнений ряда электроприводов

ТРИОЛ-АТ04 – используется для управления различными механизмами с более высокими требованиями к динамическим показателям: быстродействию и диапазону регулирования скорости. Эти электроприводы реализуют принципы как скалярного, так и векторного управления АД в разомкнутых и в замкнутых по скорости системах автоматического регулирования. Это позволяет иметь повышенный пусковой момент и повышенную кратность номинального момента АД в процессе регулирования.