Elektrichesky_privod_Kosmatov_V_I_2012

Рис. 6.22. Однофазный инвертор, работающий на активное сопротивление R (а), и диаграмма его работы (б)

150

Рис. 6.23. Схема (а) и диаграммы тока и напряжения на нагрузке

Lн , Rн

6.3.2. Асинхронный электропривод на основе ПЧ с АИН и управляемым выпрямителем

Принципиальная схема асинхронного ЭП с трѐхфазным автономным инвертором напряжения АИН и управляемым выпрямителем УВ представлена на рис. 6.24.

151

Рис. 6.24 Принципиальная схема асинхронного электропривода с ПЧ-АИН

Наиболее распространѐнной схемой силовой части инвертора АИН является трѐхфазная мостовая схема, состоящая из шести управляемых ключей 1…6. Эти ключи должны обладать двусторонней проводимостью. Транзисторы IGBT с обратными диодами D1-D6 обеспечивают

протекание тока от плюса напряжения U d к минусу через нагрузку (об-

мотки статора АД). Обратная проводимость обеспечивается обратными диодами, включенными параллельно транзисторам. Они обеспечивают протекание обратного тока в процессе коммутации и в тормозном режиме двигателя.

Управление частотой f на выходе инвертора осуществляется пу-

тѐм воздействия на систему управления инвертора СУИ, в которой сигнал задания частоты преобразуется в длительность сигналов управления, подаваемых на транзисторы инвертора в соответствии с установившимся алгоритмом. Значение амплитуды напряжения переменного напряжения

U на выходе инвертора определяется значением выпрямленного напряжения U d , из которого формируется выходное напряжение инвертора. Оно задаѐтся сигналом на входе системы управления выпрямителем. В

152

линейное напряжение питающей сети.

Диаграмма состояния ключей инвертора при угловой длительности замкнутого состояния ключей (открытого состояния транзисторов, работающих в ключевом режиме), равной , представлена на рис. 6.25. Согласно этой диаграмме в каждый момент времени замкнуты три ключа.

Длительность такого состояния можно оценить в радианах / 3, в градусах 60˚, во времени t 0эл / 3 . Длительность 60-ти градусного

периода в единицах времени определяется заданной частотой f . Изменение сигнала задания частоты на входе системы управления

инвертором (СУИ) приводит к изменению этой длительности t , т.е. к изменению частоты 0эл напряжения на выходе инвертора.

Последовательность замыкания ключей 1-2-3-4-5-6 соответствует определѐнному направлению вращения двигателя. Для его изменения эта последовательность должна быть изменена на обратную. Из диаграммы очевидно, что существует шесть ненулевых состояния ключей, при которых всегда замкнуты два чѐтных и один нечѐтный или один чѐтный и два нечѐтных ключа.

Кроме них могут ещѐ использоваться два нулевых состояния, при которых замкнуты ключи 1-3-5 или 2-4-6 и когда все три фазы статора замкнуты на положительный или отрицательный полюс выпрямителя УВ, что соответствует нулю напряжения на нагрузке.

Все восемь состояний ключей показаны в таблице 6.1, в которой указаны номера замкнутых ключей, схема включения обмоток фаз статора в предположении, что обмотки соединены звездой, и значения фазных напряжений. В каждом из шести ненулевых состояний две обмотки статора, соединѐнные параллельно, включены последовательно с третьей обмоткой. Поэтому на соединѐнных параллельно обмотках дей-

ствует напряжение, равное 1/3 U d , а на обмотке, соединѐнной с ними последовательно 2/3 U d . На рис. 6.26 показаны фазные напряжения

U1a ,U1b ,U1c , значение которых на каждой шестой части периода определяется в соответствии с таблицей 6.1. Там же приведено одно из линейных напряжений U ab , определяемое как U AB U1A U1B .

153

2 / 0 эл

/ 0эл

Рис. 6.25. Диаграмма состояния ключей инвертора

Поскольку выходное напряжение инвертора формируется из напряжения U d на выходе выпрямителя, изменение U d в результате из-

менения сигнала управления на входе СУВ приводит к пропорциональному изменению напряжения на выходе преобразователя частоты. Это один из способов осуществления законов частотного регулирования, за-

ключающийся в том, что при изменении частоты f необходимо изме-

нять и напряжение.

В случае реверсивного управляемого выпрямителя (с двусторонней проводимостью) при уменьшении частоты на выходе инвертора или при увеличении скорости двигателя до значения, превышающего скорость идеального холостого хода в результате действия активного момента на валу, двигатель переходит в режим рекуперативного торможения. Если выпрямитель выполняется как нереверсивный, или неуправляемый, то он бы не пропускал поток активной мощности от двигателя в сеть. Поэтому в этом случае для обеспечения режима динамического торможения в схеме необходимо предусмотреть тормозной резистор. При возникновении условий для торможения двигателя транзисторный ключ 7 замыкается и энергия рассеивается в тормозном резисторе.

Напряжение, подводимое к статору двигателя несинусоидальное, и линейное напряжение может быть представлено в виде суммы гармонических составляющих, не содержащих гармоник, кратных двум и трѐм

154

v 0элt; v' 0элt / 6;.

Первая гармоника линейного напряжения U л1 f ( 0элt)

имеет амплитуду, равную U л m1 2 3 U d 1,1U d .

Амплитуда первой гармоники напряжения фазы составляет

U фm1 U л m1 0.637U d . 2

Несинусоидальность выходного напряжения приводит к несинусоидальному характеру тока в статорных обмотках и пульсациям момента двигателя. Эти пульсации особенно сильно проявляются при пониженной частоте и небольшом моменте инерции механизма, который приводится в движение приводом. Тогда они вызывают неравномерность вращения двигателя, а иногда и возникновение шагового режима, когда двигатель вращается с остановками. Таким образом, несинусоидальный характер напряжения на выходе выпрямителя накладывает ограничение на возможный диапазон регулирования скорости привода. Кроме того, наличие высших гармоник в кривой тока статора вызывает увеличение потерь энергии по сравнению со случаем питания двигателя синусоидальным напряжением. Поэтому в последнее время получили наибольшее распространение преобразователи частоты со звеном постоянного тока, в которых форма тока статора, близкая к синусоидальной, достигается применением инверторов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

155

Таблица 6.1 Схемы включения обмоток статора при разных состояниях клю-

чей инвертора и значения фазных напряжений

156

Рис. 6.26. Форма напряжений на выходе инвертора

6.3.3. Асинхронный электропривод на основе ПЧ с АИН с широтно-импульсной модуляцией

Наиболее распространенным типом преобразователя частоты с ШИМ является преобразователь с неуправляемым выпрямителем напряжения в звене постоянного тока. При этом напряжение на входе инвертора не меняется, а регулирование выходного напряжения осуществляется методом широтно-импульсной модуляции. Такие выпрямители выпускаются рядом электротехнических фирм с начала 90-ч годов двадцатого века, когда производители мощных полупроводниковых прибо-

157

ров освоили выпуск биполярных транзисторов с изолированным затво-

ром IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). IGBT представляют собой p - n- p - транзистор, управляемый через высоковольтный n-канальный полевой транзистор. При необходимости используется параллельное соединение транзисторов или гибридные модули. К достоинствам IGBT относятся: высокая допустимая плотность тока; управление напряжением, как у МОП-транзисторов; практически прямоугольная область безопасной работы, исключающая необходимость формирования траектории переключения, низкие потери в импульсном режиме. Перечисленные качества обусловили широкое применение IGBT в современных преобразователях с ШИМ.

Принцип ШИМ проще всего пояснить на примере однофазного инвертора, получающего питание от источника постоянного напряжения со средней точкой, структура которого показана на рис. 6.27.

Активно-индуктивная нагрузка Z н включена между средней

точкой источника питания и точкой соединения электронных ключей 1 и 2, каждый из которых включает в себя транзистор, работающий в ключевом режиме и диод обратного тока. Система управления транзисторными ключами содержит в своем составе нуль-орган (НО) и формирователи Ф1 и Ф2. На входе нуль-органа сравниваются задающий

сигнал u* (здесь и далее индексом «звездочка» отмечены задающие сигналы) и пилообразное опорное напряжение uоп .

Если u* > uоп , т.е. разность ( u* - uоп ) положительна, то сигнал на выходе нуль-органа положителен и на выходе формирователя Ф1 существует положительный сигнал f1* , замыкающий ключ 1, т.е. открывающий соответствующий транзистор. К нагрузке оказывается приложенным напряжение 0,5U d , у которого слева «плюс», а справа — «минус» и которое будем считать положительным. При отрицательной разности ( u* - uоп ) замыкается ключ 2 и напряжение на нагрузке стано-

вится отрицательным и равным -0,5 U d . На рис. 6.28,а показаны симметричное пилообразное опорное напряжение с максимальным значением Uопm и напряжение задания u* , которое предполагается посто-

янным в течение периода Тшим опорного напряжения. В нижней части

158

рисунка приведены состояния сигналов f1* , и f2* и форма напряже-

ния на выходе инвертора u . Среднее значение напряжения на выходе определяется следующим образом:

Рис. 6.27. Структура однофазного инвертора с широтноимпульсной модуляцией

(6.33)

159