2. Полупроводниковые преобразователи частоты

Питание электрических машин переменного тока с изменяемой скоростью вращения осуществляется от устройств, обеспечивающих на своем выходе регулируемую частоту напряжения или тока. При применении полупроводниковой техники приборы должны включаться и выключаться в определенной последовательности, формируя это выходное напряжение (ток). Ранее в качестве таких приборов использовались тиристоры. Как известно, закрыть уже открытый тиристор можно только при подаче на его анод отрицательного (по отношению к катоду) напряжения. Для этих целей использовались узлы искусственной коммутации, состоящие, как правило, из тиристоров, конденсаторов, диодов и индуктивностей. Их наличие снижало надежность преобразователей, увеличивало их габариты и стоимость.

Ситуация радикально изменилась в связи с появлением IGBT-транзисторов (Insulated Gate Bipolar Transistor) – устройств, которые можно закрыть по цепи управления. В корпус IGBT встроен обратный диод (рис. 2.1), который обеспечивает при необходимости путь протекания тока обратной полярности.

	Рисунок 2.2 – Схема драйвера
Рисунок 2.1 – IGBT-транзистор

Для управления IGBT необходимо, как правило, преобразовать логический сигнал управления в напряжение, пригодное для управления IGBT. Это осуществляется с помощью специальных устройств, называемых драйверами, которыми обычно изготовители IGBT комплектуют свои поставки. Возможная блок-схема драйвера приведена на рис. 2.2.

Помимо этого, драйверы решают такие задачи: трансформаторное или оптическое потенциальное разделение цепей управления и силовых; защиту IGBT от перегрузок и коротких замыканий; ограничение скорости нарастания анодного тока; реализацию необходимых задержек при включении – выключении IGBT в одной фазе инвертора (для исключения сквозных токов необходимо сначала выключить транзистор, выходящий из работы, а затем включить вступающий в работу – задержка времени составляет несколько мкс); индикацию состояния драйвера и транзистора.

Основным видом преобразователя, питающего регулируемый по скорости АД, является инвертор напряжения (рис. 2.3), состоящий из трех частей: источника постоянного напряжения, звена постоянного тока и собственно инвертора [5]. Для большинства промышленных электроприводов источником постоянного напряжения является трехфазный выпрямитель (рис. 2.4), собранный по мостовой схеме.

Рисунок 2.3 – Структурная схема инвертора напряжения	Рисунок 2.4 – Нерегулируемый входной выпрямитель

Индуктивность L ограничивает аварийный ток установки и скорость его нарастания, уменьшает искажения питающей сети.

Звено постоянного тока состоит из дросселя L_d, конденсатора С и цепи с полупроводниковым ключом VD2 и резистором R, служащей для гашения тормозной энергии двигателя и защиты конденсатора от перенапряжения (рис. 2.3). Индуктивность L_d в цепи постоянного тока необходима для уменьшения зарядного тока конденсатора и уменьшения пульсаций тока. Напряжение на конденсаторе С равно в среднем 1,35U_с, где U_с – действующее значение линейного питающего напряжения.

Величина емкости конденсатора должна обеспечить:

● существенное уменьшение уровня пульсаций напряжения U_d, вызванных коммутационными процессами в инверторе и выпрямителе. Так как частота этих процессов достаточно велика, то требуемая для этого емкость конденсатора оказывается небольшой;

● при аварийном процессе в инверторе энергия, накопленная в индуктивности двигателя, разряжается на конденсатор, увеличивая его напряжение;

● в переходных процессах сброса и наброса нагрузки и переходе двигателя в генераторный режим напряжение на конденсаторе не должно изменяться более чем на 15 % от установленного значения.

Оставшуюся часть схемы рис. 2.3 составляет собственно инвертор. Простой (или двухуровневый) инвертор изображен на рис. 2.5. В нем условно показанные ключи представляют собой IGBT-транзисторы. При нормальной работе в каждой фазе один из ключей замкнут, а второй разомкнут. Принято состояние инвертора обозначать трехразрядным двоичным кодом, в котором разряд «0» соответствует разомкнутому состоянию ключа соответствующей фазы, подсоединенного к шине «+» (и соответственно замкнутому состоянию ключа в этой фазе, подсоединенному к шине «-»), а «1» – противоположному состоянию ключей [4]. Например, состояние инвертора V_к = 100 (4) говорит о том, что замкнуты ключи Т1, Т4, Т6.

Рисунок 2.5 – Инвертор напряжения

Выбранный преобразователь частоты представляет собой автономный инвертор напряжения (АИН) и содержит емкость в звене постоянного тока (силовой фильтр). В АИН имеет место однозначная зависимость напряжения в звене постоянно тока от напряжения на нагрузке, и поэтому он является источником напряжения. Благодаря наличию емкости, при работе инвертора как источника напряжения на активно-индуктивную нагрузку, каковым является АД, обеспечивается обмен реактивной энергией между АД и звеном постоянного тока.

Преобразователь готов к работе после заряда конденсатора С.

Построенный из IGBT-модулей инвертор вырабатывает из постоянного напряжения промежуточного контура трехфазные напряжения для питания двигателя. Кроме конденсатора C, для этой цели необходимы обратные диоды, включенные параллельно основным ключам. Через эти диоды (рис. 2.1) протекает ток в моменты возврата реактивной энергии от двигателя в емкость. Ток в цепи на участке между инвертором и емкостью при низких сosφ нагрузки может менять направление. Форма напряжения на выходе инвертора определяется порядком переключения ключей. Напряжение на выходе инвертора регулируется широтно-импульсным способом, который осуществляется модуляцией напряжения несущей частоты ω_к (частоты коммутации ключей) сигналом основной частоты.