Elektrichesky_privod_Kosmatov_V_I_2012

где Т1 ,Т 2 интервалы замкнутого состояния ключей 1 и 2 соответствен-

но; Тшим - период широтно-импульсной модуляции, с; fшим - частота ШИМ, Гц.

Рис. 6.28. Характеристики передаточного коэффициента инвертора: а – напряжения опорное и задания; б – регулировочная характери-

стика инвертора

Из подобия треугольников a, b, c и a, b' , c' для рабочей части характеристики инвертора, когда u* uоп , может быть записано

Отсюда с учѐтом приведѐнного выше выражения (6.33) для U следует, что

U опm и

160

где – передаточный коэффициент инвертора в линейной части харак-

(рис. 6.28,б) видно, что должно быть предусмотрено ее ограничение на уровне 0,5U d , так как для получения неискаженного напряжения на выходе задающий сигнал u не должен превышать максимального значения опорного напряжения Uопm . В системе управления инвертором

должна существовать кратковременная задержка между размыканием одного ключа и замыканием другого для восстановления запирающих свойств транзистора, выходящего из работы.

Если управляющий сигнал представляет собой синусоиду с частотой 0эл , то напряжение на выходе инвертора, рассматриваемое за

время t 2 / 0эл , будет представлять собой гармоническую кривую,

содержащую наряду с первой гармоникой, которая имеет частоту управляющего сигнала, ряд гармонических составляющих более высо-

кого порядка. Таким образом, если амплитуда u* не превышает значения Uопm , то первая гармоника напряжения на выходе инвертора в оп-

ределенном масштабе повторяет управляющий сигнал. Изменение его частоты приводит к изменению частоты на выходе инвертора. Изменение амплитуды управляющего сигнала при неизменной частоте будет приводить к изменению соотношения длительностей положительных и отрицательных импульсов напряжения на выходе, т.е. изменению амплитуды его первой гармоники. Это иллюстрирует рис. 6.29, где для упрощения и наглядности построения принято, что частота опорного напряжения всего в 12 раз превышает частоту управляющего сигнала. На самом деле в современных инверторах частота опорного напряжения (частота ШИМ) составляет от единиц до десятков килогерц при номи-

нальной частоте напряжения на выходе инвертора f 0эл / 2 - 50

Гц. При высокой частоте ШИМ и активно-индуктивной нагрузке, какой является обмотка статора, ток нагрузки оказывается практически синусоидальным.

161

Однако надо учитывать и ряд отрицательных эффектов, связанных с повышением частоты ШИМ, а именно наличие электромагнитных помех, воздействующих на другие электротехнические и радиотехнические устройства, и возникновение перенапряжений в цепи нагрузки, что опасно для изоляции обмоток двигателя. Средства борьбы с этими явлениями состоят в использовании двигателей с повышенным качеством изоляции, в применении экранированных кабелей и специальных фильтров, в ограничении длины коммуникаций, а также в раздельной прокладке силовых кабелей и кабелей системы управления.

Рис. 6.29. Принцип широтно-импульсной модуляции на примере однофазного инвертора

Схема трехфазного мостового инвертора (рис. 6.30) включает в себя три плеча с транзисторными ключами, каждое из которых выполнено аналогично плечу однофазного инвертора (см. рис. 6.27). К средним точкам каждого из плеч подключено начало фазной обмотки статора двигателя, если обмотки статора соединены звездой, как это показано, на рис. 6.30 или угол треугольника, если обмотки соединены треугольником. Схема включает в себя общий для всех трех фаз источник пилообразного опорного напряжения U оп . Управляющие сигналы

u1*A , u1*B , u1*C представляют собой трехфазную систему синусоидаль-

ных напряжений, сдвинутых между собой на 120°. Изменение частоты напряжения на выходе инвертора достигается изменением частоты управляющих сигналов, а изменение амплитуды — изменением их ам-

162

плитуды. На рис. 6.31 показано, как формируется трехфазное напряжение на фазах нагрузки, соединенной в звезду. На рисунке заштрихованными горизонтальными линиями отмечены состояния сигналов

f1* f6* а следовательно, и замкнутые состояния ключей 1—6. Их за- висимость от знаков разностей u1*A Uоп ,u1*B Uоп ,u1*C Uоп

Рис. 6.30. Асинхронный электропривод на основе трѐхфазного инвертора напряжения с ШИМ

определена также, как это сделано при рассмотрении однофазного инвертора. Фазные напряжения на выходе могут принимать пять разных значений: +(2/3) Ud; +(1/3) Ud; 0; -(1/3)Ud; -(2/3)Ud. Для того, чтобы определить мгновенные значения фазных напряжений на каждом из отрезков времени, ограниченном вертикальными штриховыми линиями,

163

Так, на крайнем левом промежутке времени ( см. рис.6.31) замкнуты ключи 2, 4 и 6, чему соответствует равенство нулю напряжений на вы-

ходе: u1a u1b u1c 0 . На следующем за ним промежутке времени

замкнуты ключи 5, 6 и 1. При этом = -(2/3)Ud; u1a u1c = (1/3) Ud и т.д.

Рис. 6.31. Формирование напряжения на выходе АИН с ШИМ

Линейное напряжение между фазами А и В определено как u1ab u1a u1b . Можно отметить, что алгоритм работы рассматри-

ваемой схемы, также как и алгоритм работы однофазного инвертора, исключает возможность одновременного замыкания обоих ключей одного плеча моста. Кроме того, в графиках напряжения имеются участки,

164

на которых замкнуты одновременно все четные или все нечетные ключи, в результате чего значения напряжения на этих участках равны ну-

лю. При равенстве амплитуды задающего сигнала u * максимальному значению опорного напряжения U опm амплитуда первой гармоники напряжения на выходе инвертора равна 0,5 U d .

Для наглядности график напряжений построен при том же соотношении частоты ШИМ и частоты напряжения на выходе инвертора 0эл , что и при рассмотрении однофазного инвертора (см. рис.

6.29). Сказанное ранее о влиянии высокой частоты ШИМ справедливо и для трехфазного инвертора.

Описанная схема инвертора с явновыраженным пилообразным опорным напряжением может быть реализована как в аналоговой форме, так и в цифровой форме с применением микропроцессорной техники.

Наряду с рассматриваемыми преобразователями частоты со звеном постоянного тока с амплитудно-импульсной модуляцией и широт- но-импульсной модуляцией, разработаны и применяются алгоритмы векторной широтно-импульсной модуляции, а также преобразователи частоты с автономными инверторами тока.

6.3.4. Электропривод переменного тока на основе

преобразователей частоты с непосредственной связью

Преобразователем частоты с непосредственной связью (НПЧ) называется прямой преобразователь, в котором энергия источника переменного тока передаѐтся в нагрузку непосредственно на проводящих интервалах силовых ключей схемы. Наиболее широкое применение преобразователи, выполненные на тиристорах, находят в электроприводе для управления низкоскоростными двигателями очень большой мощности. Основой силовой части таких преобразователей являются встречно-параллельно включенные группы тиристоров, каждая из которых может работать в выпрямительном или инверторном режимах.

Такие преобразователи могут выполняться с естественной и искусственной коммутацией тиристоров. Рассмотрим на примере однофазного непосредственного преобразователя частоты принцип работы НПЧ с естественной коммутацией ( см. рис. 6.32,а). В схеме две группы тиристоров: катодная, вентили VS1, VS2, VS3; анодная, вентили VS4

165

VS5 VS6. Пусть нагрузка Zн= Rн, т.е. активная. Управляющие импульсы от системы управления СУ поступают на тиристоры катодной и анодной группы поочерѐдно. Когда импульсы, синхронизированные по час-

тоте с напряжением питающей сети U1ф , подаются последовательно на

тиристоры VS1,VS2,VS3 катодной группы, она работает в режиме выпрямления (по трѐхфазной нулевой схеме), формируя на нагрузке поло-

жительную полуволну напряжения U 2 относительно нулевой точки

трансформатора (см. рис. 6.32,б). Когда проводят ток тиристоры VS4,VS5,VS6, формируется отрицательная полуволна выходного на-

пряжения U 2 . В результате циклической работы катодной и анодной групп выпрямления создаѐтся переменное напряжение на нагрузке U 2 , с частотой основной гармоники f 2 более низкой, чем частота питающей сети f1 .

Выходное напряжение на нагрузке определяется соотношением

где m1 - число фаз питающей сети (трансформатора);– угол управления;

Из рис. 6.32,б видно, что частота выходного напряжения f 2 ниже, чем частота f1 , и что

где n=0,1,2,3… - число участков синусоид в полуволне.

случае определится

166

Рис. 6.32. Преобразователь частоты с непосредственной связью: а – схема; б – диаграмма выходного напряжения при активной нагрузке

без паузы между коммутацией групп 1 и 2

Согласно (6.37) частота выходного напряжения f2 может иметь

только дискретные значения, например, для трѐхфазно-однофазной схемы НПЧ при n=3

167

для шестипульсной однофазной схемы ( см. рис. 6.33,а)

Рис. 6.33. Преобразователь с непосредственной связью на базе трѐхфазной мостовой (шестипульсной) схемы: а – схема; б – диаграмма вы-

ходного напряжения

168

На диаграмме выходного напряжения (см. рис. 6.32,а и 6.33,а)

кривая U 2(1) представляет первую гармонику напряжения, соответст-

вующего частоте f2 .

При активно-индуктивной нагрузке для рекуперации энергии, накопленной в индуктивностях нагрузки (обмотки статора АД и СД), тиристорные группы поочерѐдно переводят из выпрямительного режима в инверторный: 1-ая группа при отрицательных напряжениях, 2-ая группа при положительных напряжениях с углом >90˚(см. рис. 6.34).

Для получения плавного регулирования частоты НПЧ необходимо вводить паузу п между выключением и включением первой и второй групп тиристоров. При этом выходная частота

Эта пауза необходима и при активной нагрузке для предотвращения одновременной проводимости выключающегося вентиля группы, выходящей из работы, и вентиля группы, вступающей в работу. Длительность этой паузы не должна быть меньше времени восстановления запирающих свойств тиристоров ( см. рис. 6.34).

На рис. 6.35 приведена принципиальная схема НПЧ, выполненная на встречно-параллельных выпрямителях по 3-х фазной мостовой схеме выпрямления, работающих на статорную обмотку синхронного двигателя.

Рис. 6.34. Диаграммы напряжений и тока НПЧ, работающего на активно-индуктивную нагрузку

169