11. Лабораторная работа №10

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ СО ЗВЕНОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы:

1. Изучить принципы построения и работы преобразователей частоты со звеном постоянного тока.

2. Исследовать работу преобразователя частоты со звеном постоянного тока при двигательной нагрузке.

3. Исследовать работу преобразователя частоты со звеном постоянного тока при генераторной нагрузке.

Краткие теоретические сведения [3].

Преобразователи частоты (ПЧ) преобразуют электрическую энергию переменного тока одной частоты в электрическую энергию переменного тока другой частоты. Причем выходная частота преобразователя может быть регулируемая или стабилизирована. Преобразователи с регулируемой выходной частотой применяются в электроприводах переменного тока, а преобразователи со стабилизированной выходной частотой – в технологических установках, в источниках питания, включая и источники бесперебойного питания.

Таким образом, область применения преобразователей частоты весьма широка, а мощности этих преобразователей от десятков Ватт до нескольких мегаватт.

К преобразователям частоты, предназначенным для частотного управления электроприводами, предъявляются следующие основные требования:

– независимое регулирование величины и частоты выходного напряжения;

– возможность двухстороннего обмена энергией между нагрузкой и питающей сетью;

– устойчивость протекания динамических режимов частотного управления электропривода;

– быстродействующая защита и эффективная диагностика;

– достаточно высокий коэффициент полезного действия;

– высокая симметрия фазных напряжений и токов;

– отсутствие постоянных составляющих и субгармоник в преобразованных напряжениях и токах;

– минимальные искажения напряжения питающей сети, низкий уровень радиопомех и шума;

– возможность форсировать кратковременные перегрузки по току и напряжению для форсирования переходных процессов двигателя;

– поддержание с требуемой точностью значений частоты, напряжения (тока) в установившихся режимах работы электропривода.

По принципу работы преобразователи частоты разделяются на преобразователи частоты со звеном постоянного тока и преобразователи частоты без звена постоянного тока (или преобразователи частоты с непосредственной связью цепей нагрузки и питающей сети). Можно отметить, что преобразователи частоты со звеном постоянного тока имеют несколько каскадов преобразования электрической энергии, что влечет за собой увеличение потерь мощности и снижение КПД. Преобразователи частоты без звена постоянного тока имеют только один каскад преобразования электрической энергии, поэтому их КПД выше, чем у преобразователей частоты со звеном постоянного тока.

На лабораторном стенде НТЦ-25 можно провести исследование преобразователя частоты со звеном постоянного тока, поэтому далее рассмотрим работу этого преобразователя.

ПЧ со звеном постоянного тока имеют в своем составе выпрямитель и инвертор. Выпрямитель преобразует электрическую энергию переменного тока в электрическую энергию постоянного тока, а инвертор преобразует электрическую энергию постоянного тока в электрическую энергию переменного тока. Очевидным достоинством ПЧ со звеном постоянного тока является независимость частоты выходного напряжения на выходе ПЧ от частоты питающей сети.

Рис. 11.1. ПЧ с управляемым выпрямителем и инвертором напряжения

ПЧ со звеном постоянного тока могут выполняться по схеме с инвертором напряжения (рис.11.1) или инвертором тока. Регулирование частоты выходного напряжения ПЧ осуществляется путем изменения частоты переключения полупроводниковых ключей (транзисторов или полностью управляемых тиристоров) автономного инвертора. Величина выходного напряжения в этих схемах может регулироваться путем регулирования величины выходного напряжения управляемого выпрямителя (этот способ называется амплитудным способом).

В настоящее время в большей мере находит применение широтно – импульсный метод регулирования выходного напряжения инвертора, реализуемый путем применения соответствующего алгоритма управления вентилями автономного инвертора. Выпрямитель в этом случае выполняется неуправляемым. Описание работы инвертора напряжения с широтно – импульсной модуляцией приведено в разделе «Краткие теоретические сведения» лабораторной работы «Исследование инвертора напряжения».

Там же приведены расчетные соотношения, устанавливающие связь между напряжением цепи постоянного тока инвертора напряжения и напряжением переменного тока на выходе инвертора.

Действующее значение линейного выходного напряжения ИН с синусоидальной ШИМ

(11.1)

где U_п – среднее значение напряжения на входе инвертора;

μ – коэффициент модуляции

В ПЧ со звеном постоянного тока при генераторном режиме работы асинхронной машины необходимо обеспечить перевод управляемого выпрямителя в режим зависимого инвертирования. Поскольку тиристоры управляемого выпрямителя обладают односторонней проводимостью, в режиме инвертирования необходимо изменить полярность напряжения в цепи постоянного тока ПЧ. Схема ПЧ с инвертором напряжения (рис. 11.1) содержит в цепи постоянного тока L-C сглаживающий фильтр. Поскольку полярность напряжения на конденсаторе фильтра изменять нельзя, управляемый выпрямитель в этой схеме ПЧ не может быть переведен в режим инвертирования.

Для электроприводов переменного тока, у которых случаи рекуперации электрической энергии в питающую сеть достаточно редки, возможно применение схемы ПЧ, приведенной на рис. 11.2. В этой схеме энергия нагрузки, рекуперируемая в цепь постоянного тока, рассеивается на балластном сопротивлении R_б при включении транзистора VT. Транзистор VT, который часто называют чоппером, включается сигналом системы управления в том случае, когда напряжение на конденсаторе фильтра С повышается выше заранее установленного предела. Повышение напряжения на конденсаторе С происходит при переходе нагрузки в генераторный режим. Совершенно очевидно, что при частых переходах электропривода в генераторный режим, мощность, рассеиваемая на балластном сопротивлении, существенно возрастает, а КПД ПЧ в целом уменьшается. Невзирая на этот факт, можно найти примеры реализации этой схемы при мощности нагрузки до единиц меговатт.

При питании инвертора напряжения от источника постоянного напряжения с односторонней проводимостью (от выпрямителя) возникает необходимость в установке на входе инвертора компенсирующего конденсатора, который должен принимать энергию в моменты времени, когда ток направлен от инвертора к источнику питания. Емкость компенсирующего конденсатора может быть найдена по следующей формуле [3]:

(11.2)

где Δt – интервал времени, в течение которого ток цепи постоянного тока i_d направлен от инвертора к источнику;

ΔU_c – допустимое перенапряжение на конденсаторе

Рис. 11.2. Преобразователь частоты с рекуперацией электрической энергии в цепь чоппера

Решая уравнение (11.2), получим формулу для расчета величины емкости компенсирующего конденсатора:

(11.3)

где μ– коэффициент модуляции (0< μ<1);

I_{нг m}–амплитудное значение тока нагрузки;

f_нес.– несущая частота ШИМ;

φ_нг(1) – фазовый угол между первыми гармониками напряжения и тока.

Расчетное соотношение (11.3) показывает, что емкость компенсирующего конденсатора не зависит от выходной частоты. Это обстоятельство позволяет использовать инверторы с ШИМ для работы на очень низких выходных частотах. Далее, емкость компенсирующего конденсатора обратно пропорциональна несущей частоте. Благодаря тому, что несущая частота достаточно высока, емкость компенсирующего конденсатора в инверторах напряжения с ШИМ всегда меньше, чем у инверторов без ШИМ.

Напомним, назначение емкости С₀ – обеспечение свободного обмена реактивной энергией между нагрузкой и источником питания инвертора. При питании инвертора напряжения от выпрямителя между выпрямителем и инвертором предпочтительно установить L-C сглаживающий фильтр для подавления пульсаций выпрямленного напряжения и тока. При расчете и выборе емкости сглаживающего фильтра величина этой емкости должна быть выбрана не менее того значения, которое определяется формулой (11.3).

Порядок выполнения работы

1.Изучить краткие теоретические сведения о ПЧ.

2. Исследовать работу ПЧ со звеном постоянного тока при двигательном режиме асинхронной машины.

3. Исследовать работу ПЧ со звеном постоянного тока при генераторном режиме асинхронной машины.

4. Оформить отчет по лабораторной работе.

Описание лабораторного стенда [1].

Для проведения необходимых экспериментальных исследований универсальный лабораторный стенд в своем составе имеет преобразователь частоты со звеном постоянного тока.

Схема силовой части преобразователя частоты со звеном постоянного тока

лабораторного стенда приведена на рисунке 11.3.

Преобразователь частоты (ПЧ) содержит в своем составе:

- инвертор напряжения с широтно – импульсной модуляцией выходного напряжения;

- неуправляемый выпрямитель, собранный по трехфазной мостовой схеме;

- емкостной фильтр.

Трехфазный инвертор представляет собой мост на шести IGBT транзисторах

[TJ/R12], собранных в одном силовом модуле.

ИН может работать в двух режимах (определяется положением тумблера SA30):

- независимое управление – величина напряжения и частота задаются

независимо отдельными регуляторами R31-задание частоты, R32-задание величины напряжения.;

- управление по пропорциональному закону (U-IR)/f=const – частота и

напряжение задаются регулятором R31.

Рис. 11.3 – Схема силовой части трехфазного ПЧ

Управление транзисторами ИН осуществляется микроконтроллером. На микроконтроллер через АЦП поступают два сигнала управления (см. рис.11.4):

- управление величиной выходного напряжения инвертора (резистор R32);

- управление частотой выходного напряжения инвертора (резистор R31).

Кроме импульсов управления транзисторов инвертора микроконтроллер вырабатывает импульсы управления для транзистора VT37. Задача транзистора VT37 заключается в подключении тормозного резистора R33 параллельно конденсатору фильтра С31 для предотвращения перенапряжения на конденсаторе С31 при генераторном режиме работы двигателя.

11.4 – Схема подключения задатчика частоты (R31) в схеме управления ИН

Схема подключения драйвера к силовым транзисторам одного плеча ИН приведена на рис 11.5.

Рис.11.5 - Схема подключения драйвера к силовым транзисторам одного плеча ИН

Силовой транзисторный ключ (СТК), является тем элементом преобразователя, который управляет процессами преобразования электрической энергии. Специфика протекания этих процессов требует более детального рассмотрения принципов работы СТК и его элементной базы для обеспечения надёжности ПЧ. Рассмотрим классическую схему одного плеча преобразователя. Заметим, что ПЧ содержит три таких плеча. На рис. 11.6 представлена схема такого плеча и показаны электромагнитные процессы, протекающие в нем при включении и выключении транзистора. Классическая теория динамических процессов выделяет четыре коммутационных интервала при работе плеча на активно-индуктивную нагрузку, два при включении транзистора и два при выключении. При включении транзистора выделяются этап восстановления диода в фазе высокой обратной проводимости (t₁ на рис. 11.6) и этап установления стационарного состояния силового высоковольтного транзистора (t₂ на рис. 11.6). На первом из отмеченных этапов по цепи «транзистор-диод» протекает значительный ток, который может превысить номинальный в несколько раз. При этом напряжение на транзисторе остается равным напряжению питания. Этот этап является наиболее опасным для транзистора. На втором этапе ток уменьшается до номинального при одновременном уменьшении напряжения на транзисторе. При выключении транзистора выделяются этап рассасывания неосновных носителей заряда в коллекторе силового высоковольтного транзистора (t₄ на рис. 11.6) и этап спада тока коллектора силового транзистора и включения диода (t₄ на рис. 11.6).

На всех отмеченных интервалах коммутации в транзисторе и диоде выделяется значительная мощность.

В настоящее время основными приборами силовой электроники в области коммутируемых токов до 50 А являются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT); полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET).

В области коммутируемых токов более 50 А основными приборами силовой электроники являются силовые модули на базе биполярных транзисторов и силовые модули на базе MOSFET.

Рис. 11.6 – Динамические процессы при переключении силового транзисторного ключа

Как видно из рис.11.3, питание ПЧ в лабораторном стенде осуществляется от сети переменного тока через неуправляемый выпрямитель. Пульсации выходного напряжения выпрямителя фильтруется конденсатором С31. Выходное напряжение инвертора подается на обмотку статора асинхронного двигателя. Контакты К1 и К2 предназначены для изменения чередования фаз напряжения, подаваемого на двигатель. Эта операция выполняется при необходимости изменения направления вращения двигателя. Амперметр РА3 измеряет ток фазы двигателя, вольтметр PV3 измеряет величину линейного напряжения, подаваемого на двигатель.

Порядок проведения опытных исследований