6. Аналіз роботи автономного інвертора напруги і розрахунок графіків миттєвих значень струму в сталому режимі для заданої частоти
6.1 Аналіз роботи автономного інвертора напруги
Рисунок 6.1
Випрямлена напруга подається на силовий фільтр, який забезпечує дві функції: згладжування вихідної напруги випрямляча і циркуляцію реактивної потужності в ПЧ. Після фільтра напруга постійного струму подається на вхід інвертора, який перетворює напругу постійного струму Ud у трифазну напругу U1рег регульованої частоти f1рег і подає його на двигун. Частота вихідної напруги f1рег інвертора регулюється блоком управління у функції сигналу управління Uy.
Рисунок 6.2 Автономний інвертор напруги з контуром протікання струму.
Дана схема працює так: в один момент часу одночасно працюють три транзистори, причому за період дорівнює 2π (360 °) три рази перемикаються вентильні групи: 1-4-6, 3-2-6, 5-4-2. Таким чином, за період три рази відбувається зміна підключення фаз, внаслідок чого ми отримуємо змінний струм у навантаженні.
Ідею автономного інвертора напруги (АІН) проілюструємо на найпростішому однофазної схемою з чотирма ідеальними ключами 1, 2, 3, 4 і активним навантаженням R - рис. 6.3.
При попарной комутації ключів 1,2 - 3,4 - 1,2 і так далі, через час Т / 2 (рис. 6.3) до резистору буде прикладатися змінну напругу uab прямокутної форми з частотою Струм при активному навантаженні буде повторювати форму напруги . Змінюючи комутаційний проміжок Т / 2, можна змінювати частоту в будь-яких кордонах.
Рисунок 6.3 Найпростіша схема однофазна АІН, навантажена активним опором і діаграма роботи.
При активно-індуктивного навантаження розмикання ключа неприпустимо без додаткових заходів, оскільки енергія, запасена в індуктивності, при розриві ланцюга викликає більше пікові перенапруги і зробить пристрій повністю недієздатним. Так само, при розмиканні ключів повинні залишатися контури, по яких продовжував би протікати струм у колишньому напрямку і запасалися б енергія, передана з індуктивності, яка розряджається.
Конфігурація схеми, при якій виконуються зазначені умови, показана на рис. 6.4 а. Пунктирні діоди в ключів 1-4 відображає їхні односторонню провідність. Діоди D1 - D4 утворюють разом з конденсатором С контури для обміну енергією. Комутація ключів не відрізняється від показаної на рис. 7, проте струм на кожному напівперіод змінює напрямок, протікаючи по контурах, показаним на рис. 6.4 б. Неважко бачити, що форми напруги і струми істотно різні, і струм в силу індуктивного характеру навантаження відстає від напруги.
Рис. 6.4. Однофазний інвертор з R-L навантаженням (а) і діаграма роботи (б).
При одноразовій комутації та тривалості провідного становища 180 електроградусов необхідна одночасна робота двох ключів в одній фазі і одного ключа в іншій. На затвори вентилів VT1 ÷ VT6 подаються імпульси управління тривалістю 180 ел. градусів, зрушені один щодо одного на 60 ел. градусів. При такій послідовності імпульсів управління протягом напівперіоду три рази змінюються схеми підключення фаз. При широтно-імпульсної модуляції виконується безліч комутацій вентилів протягом напівперіоду напруги живлення.
Ідею побудови автономного інвертора напруги з ШІМ проілюструємо на найпростішої ідеалізованої однофазної схемою з чисто активним навантаженням - рис. 6.5. Для зміни амплітуди і форми напруги на навантаженні роздробив кожен період Т на n рівних частин (інтервалів)
(рис. 6.5 б.) і будемо комутувати ключі 1,2 на кожному інтервалі позитивного напівперіоду, а ключі 3,4 - на кожному інтервалі негативного напівперіоду. Тоді на кожному інтервалі i до навантаження буде прикладатися не повне напруга U, а лише його частина Uiср:
Рис. 6.5. Шим на інтервалі (а) і на половині періоду вихідний частоти (б).
Міняючи на кожному інтервалі відносну ширину імпульсу, можна легко управляти середнім за інтервал напругою Uiср, тобто формувати на кожному напівперіод яку потрібну форму напруги, як показано на рис. 6.5 а.
Зі збільшенням n буде зменшуватися τ і ступінчаста крива буде наближатися до заданої плавно. Використовуючи широтно-імпульсну модуляцію, можна формувати будь-які потрібні форми кривої струму, враховуючи параметри, що змінюються в процесі роботи, навантаження. У сучасних добре зроблених перетворювачах частоти ШІМ дозволяє при будь-якої необхідної вихідної частоті перетворювачя змінювати потрібним чином амплітуду напруги, керуючи магнітним потоком двигуна, і формувати при будь-якому навантаженні на валу близьку до синусоїдальної форми струму двигуна.
7. Аналіз роботи силової частини випрямляча
7.1. Побудова зовнішньої характеристики в режимі випрямлення
Рівняння зовнішньої характеристики в першому квадранті має вигляд (залежність вихідної напруги від струму навантаження):
де kv - число послідовно включених вентилів (kv = 1 - для нульових схем kv = 2 - для мостових схем);
Значення граничного струму:
де Ld - індуктивність контуру навантаження, Гн.
,
Необхідно визначити струм в ланцюзі постійного струму перетворювача частоти в режимі холостого ходу асинхронного двигуна. Для цього треба визначити струм холостого ходу (струм намагнічування) двигуна:
де Uн - номінальна фазна напруга двигуна, В. Тоді мінімальне значення струму в ланцюзі постійного струму визначається зі співвідношення струмів в номінальному режимі і в режимі холостого ходу асинхронного двигуна:
Ud, В
Id, А
Рис.7.1 Зовнішня характеристика випрямляча
Зовнішня характеристика співпадає за виглядом з зовнішньою характеристикою некерованого випрямляча[1].
7.2 Побудова зовнішньої характеристики в режимі інвертування
Некерований випрямляч не має режима інвертування.
8. Аналіз функціонування систем управління автономним інвертором напруги
Сучасний стан частотно-регульованих електроприводів, як в частині виконання їх силової основи - силових перетворювачів частоти, так і засобів управління і регулювання, дозволяє замінювати нерегульовані приводи великої гами механізмів (наприклад, відцентрових і поршневих насосів і компресорів, вентиляторів, аглоексгаустеров, газових повітродувок, різного виду млинів, дробарок, ножиць і пил, чорнових клітей прокатних станів і т.д.) регульованими, а також робить технічно можливо розв'язати заміну регульованого приводу постійного струму. Крім того, відкрилася можливість різкого збільшення одиничної потужності і перевантажувальної здібності, недосяжного при застосуванні двигунів постійного струму через обмеження за умовами комутації. Це дає можливість розробляти агрегати підвищеної продуктивності.
Практично всі провідні електротехнічні фірми збільшують щорічний випуск електроприводів змінного струму.
Зростання їх виробництва та обгрунтованість прогнозу обумовлені в основному двома стійкими тенденціями:
- Автоматизацією виробничих процесів з використанням АСУТП, що передбачає застосування регульованих електроприводів;
- Застосуванням енергозберігаючих технологій в різних галузях виробництва, які дають суттєвий економічний ефект.
Істотний відсоток зростання виробництва регульованих електроприводів дають частотно-регульовані електроприводи змінного струму. Це викликано тим, що багато провідних фірм освоїли у виробництві нові комплектуючі вироби: силові напівпровідникові прилади, в тому числі силові транзистори IGBT, замикаючи тиристори GTO і IGCT; мікропроцесорні засоби побудови систем управління, захистів і регулювання електроприводів; спеціальні двигуни змінного струму.
Рисунок 8.1. Структурна схема отриманої установки.
1. Джерело живлення (суднова мережа).
2. Некерований випрямляч.
3. RC-ланцюг. (Фільтр).
5. Керований інвертор.
6. Блок керування керованим інвертором. (генератор ШІМ).
7. Навантаження. (асинхронний двигун).