Введение

Постоянное совершенствование технологий в производстве силовых полупроводниковых приборов с новыми свойствами и характеристиками позволило осуществлять преобразование электрической энергии в формах, наиболее удобных для ее электромеханического преобразования, что открыло широкие возможности для создания технически совершенных регулируемых электроприводов. Замена устаревших способов регулирования скорости позволяет не только обеспечить экономию электроэнергии, но и существенно улучшить технологические показатели работы всего оборудования в целом. Самое широкое применение в этой сфере нашли полупроводниковые преобразователи частоты и созданные на их базе частотно-регулируемые электроприводы (ЧРП). Имея в своем составе простой и надежный асинхронный электродвигатель, эти электроприводы стали вытеснять электроприводы постоянного тока даже из традиционных областей их применения, таких как станкостроение. Имея в своем составе микропроцессорные системы управления эти электроприводы легко встраиваются в автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП).

Около 65% электроэнергии в промышленности, электроэнергетике и др. отраслях расходуется асинхронными электроприводами насосов и вентиляторов, работающих с постоянной частотой вращения. И нет ничего удивительного в том, что непрерывно растет число предприятий, рассматривающих применение электроприводов с регулируемой частотой вращения как ключ к энергосбережению, повышению рентабельности и конкурентоспособности предприятия, улучшению экологической обстановки.

Лекция №1. Принципы построения систем частотно-регулируемого электропривода

Цель лекции: изучить принципы построения силовых схем преобразователей частоты, применяемых в электроприводе.

Как известно, применение преобразователей частоты (ПЧ) для управления асинхронным двигателем является наиболее экономичным способом плавного регулирования частоты вращения. При этом двигатель во всем диапазоне регулирования работает с малой величиной скольжения ротора (малыми потерями скольжения), сохраняет высокий коэффициент полезного действия (КПД) и хорошую «жесткость» механических характеристик, может работать в двигательном и генераторном режиме.

Такие устройства преобразуют электроэнергию питающей сети в электроэнергию с требуемыми значениями напряжения, тока и частоты в два этапа. На первом этапе с помощью выпрямителя производится преобразование тока и напряжения сети с частотой 50 Гц в постоянные ток и напряжение. На втором этапе постоянные ток и напряжение преобразуются в переменные, но уже с новыми, требуемыми для обеспечения желаемого режима работы электродвигателя значениями тока, напряжения и частоты. Это преобразование осуществляется специальными устройствами – автономными инверторами. Автономным инвертор назван потому, что его работа не связана непосредственно с питающей сетью. Автономный инвертор может работать, например, и от аккумуляторной батареи, а не только от сетевого выпрямителя. По принципу построения силовой схемы такие инверторы делятся на два типа – инверторы напряжения и инверторы тока.

Если автономный инвертор получает питание от источника напряжения, т.е. от источника с малым внутренним сопротивлением (аккумуляторная батарея, выпрямитель с ёмкостным фильтром), то на его выходе при переключении силовых полупроводниковых «ключей» может быть получено переменное напряжение в форме последовательности разнополярных прямоугольных импульсов. Первая гармоника такой последовательности должна соответствовать требуемому значению выходного напряжения. Такой инвертор называется автономным инвертором напряжения (АИН). При работе АИН на реактивную нагрузку должна быть обеспечена возможность обмена реактивной энергией между нагрузкой и источником постоянного напряжения, для чего параллельно входу АИН устанавливается конденсатор достаточно большой емкости, а встречнопараллельно переключающей схеме АИН подключается так называемый обратный выпрямитель. Это позволяет току в нагрузке протекать со сдвигом по фазе по отношению к напряжению.

Для АИН характерны однозначная зависимость выходного напряжения от входного и практическая независимость выходного напряжения от изменения нагрузки и ее коэффициента мощности. Это является существенным достоинством АИН при работе на двигатель переменного тока и обусловливает предпочтительное использование АИН в разомкнутых системах управления скоростью двигателей переменного тока и при питании группы двигателей. Типичная схема АИН с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для электроприводов малой и средней мощности изображена на рисунке 1.1.

VD1- VD6 VD7- VD12, VT1- VT6

C

Рисунок 1.1

Принцип работы АИН с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) удобно рассмотреть с помощью эквивалентной схемы, представленной на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2.

Если при постоянной несущей частоте менять соотношение между Dt₁ и Dt₂ в соответствии с синусоидальным законом

,

то среднее значение напряжения на нагрузке также будет меняться по синусоидальному закону

,

где w_s – круговая частота модуляции;

m - коэффициент глубины модуляции, показывающий в каких пределах изменяются длительности интервалов Dt₁ и Dt₂ в течение периода частоты модуляции.

При полной модуляции (m=1) Dt₁ и Dt₂ изменяются от 0 до t и амплитуда среднего значения напряжения на нагрузке равна U_И/2.

Таким образом, меняя значения параметров m и f_s, можно осуществлять независимое регулирование напряжения и частоты тока в нагрузке при постоянной несущей частоте и неизменном питающем напряжении.

Следующим шагом в улучшении формы выходного напряжения АИН, а следовательно, и условий электромагнитной совместимости с асинхронными двигателями, является выполнение их многоуровневыми (см. рисунок 1.3). Высоковольтные преобразователи частоты (ВПЧ) с такими АИН в различных модификациях выпускают Siemens, Toshiba, Mitsubishi Electric.

Благодаря практически синусоидальной форме выходного напряжения (осциллограммы на рисунке 1.4), такие ВПЧ совмещаются со стандартными общепромышленными асинхронными двигателями без установки специальных фильтров на выходе, что позволяет использовать двигатели практически без разгрузки.

Рисунок 1.3

Рисунок 1.4

Если инвертор получает питание от источника с большим внутренним сопротивлением – источника тока, например, сетевого выпрямителя с индуктивным фильтром (ток в индуктивности фильтра не может изменяться скачком), то при переключении «ключей» на выходе инвертора может быть сформирован переменный ток в виде последовательности разнополярных прямоугольных импульсов тока. Первая гармоника такой последовательности должна соответствовать требуемому значению выходного тока. В этом случае для нагрузки инвертор является источником с большим внутренним сопротивлением, т. е. источником тока. Такой инвертор называется автономным инвертором тока (АИТ).

Если нагрузкой АИТ является машина переменного тока, то изменение момента на ее валу приводит к существенному изменению напряжения на ее выводах. Поэтому в практических системах электропривода с АИТ используются различные обратные связи, направленные на стабилизацию напряжения на двигателе или на регулирование его по заданному закону с целью обеспечения необходимого магнитного потока машины, предусматриваются устройства для отвода части энергии, накопленной в индуктивности нагрузки. На рисунке 1.5 приведена типичная схема преобразователя частоты на основе АИТ с ШИМ на запираемых SGCT-тиристорах. Применение ШИМ позволило получить близкие к синусоидальной форме инвертируемых тока и напряжения, поскольку конденсаторный фильтр на выходе инвертора, поглощая высокочастотные гармоники, обеспечивает формирование в двигателе квазисинусоидальных тока и напряжения. Осциллограмма на рисунке 1.6 иллюстрирует формы тока и напряжения на выходе АИТ преобразователя Power Flex 7000 при работе на асинхронный двигатель мощностью 1250 кВт напряжением 6000 В. Одним из важнейших критериев при оценке эффективности автономных инверторов является обеспечение их электромагнитной совместимости со стандартными асинхронными двигателями. Являясь источником высших гармоник, они оказывают влияние как на потери в двигателе и его допустимую нагрузку, так и на изоляцию статора. Это обстоятельство является особенно важным, и его нужно учитывать при выборе типа инвертора и соответственно ПЧ для стандартных высоковольтных асинхронных двигателей, имеющих ограниченные запасы по изоляционной прочности. Электрические воздействия выходного напряжения инвертора на изоляцию статора зависят от топологии АИН и АИТ и алгоритмов управления. Радикальное решение, наиболее эффективно обеспечивающее электромагнитную совместимость инвертора и электродвигателя практически без разгрузки последнего, – применение широтно-импульсной модуляции (ШИМ) при управлении инвертором. ШИМ позволяет сформировать квазисинусоидальный ток в асинхронном двигателе с cуммарными нелинейными искажениями 6%.

Рисунок 1.5

Рисунок 1.6

Вопросы:

1) В каких пределах может изменяться коэффициент глубины модуляции и почему?

2) В каких случаях в электроприводе предпочтительно применение инвертора тока?

3) В каких случаях в электроприводе предпочтительно применение инвертора напряжения?