4. Задача № 21.

1. Преобразователи частоты с автономными инверторами напряжения и тока: схемы, диаграммы работы, характеристики.

П ерспективными преобразователями применительно к электроприводу переменного тока являются вентильные преобразователи частоты (ПЧ). Основное достоинство ПЧ — возможность широкого и экономического регулирования скорости наиболее массового, дешевого и надежного асинхронного двигателя с короткозамкнутым рото­ром. В ПЧ управлению подлежат две выходные координаты — амплитуда напряжения или тока нагрузки U_m,,1_т и частота изменения напряжения или тока f_п. Соответ­ственно двум координатам ПЧ располагает двумя вход­ными координатами — напряжением управления напря­жение или током U_у,н ,U_у,т и напряжением управления частотой Uyf (рис. 3.1, а). Современные ПЧ с управляемыми вентилями можно разделить на два основных класса — ПЧ с автономными инверторами (ПЧ с промежуточной цепью постоянного тока) и ПЧ с непосредственной связью с сетью. На рис. 3.1, б изображена функциональная схема ПЧ с авто­номным инвертором АИ. Преобразование напряжения сети U_с с неизменной частотой в управляемые выпрям­ленные напряжение U_d или ток I_d осуществляется систе­мой, которую можно назвать управляемым источником УИ соответственно напряжения УИН или тока УИТ, Значение Ud или Id задается задающим сигналом U₃,н или U₃,т. При этом за счет обратных связей по напряже­нию или току, входящих в состав УИ, значения Ud и I_d можно считать стабилизированными, т. е. независимыми от колебаний напряжения сети и изменения тока нагруз­ки для U_d, от колебаний напряжения сети и нагрузки для Id. Значения Ud, I_d являются входными энергетичес­кими величинами автономного инвертора. При этом автономный инвертор выполняется как инвертор напряжения (АИН) с выходными координатами U_п и f_п, если получа­ет питание от управляемого источника напряжения, или как инвертор тока (АИТ) с выходными координатами I_п и f_п, если получает питание от управляемого источника напряжения Выходные величины U_u, I_п, f_п управляются каналом частоты, в состав которого входит система уп­равления. инвертором СУИ. В системе частотного управ­ления асинхронным двигателем каналы управления АИ и УИ взаимосвязаны — задание на уровень напряжения и тока У И формируется обычно с помощью функциональ­ного преобразователя ФП в зависимости от частоты. Од­нако изучение всей системы управления ПЧ для регули­рования момента и скорости двигателя не входит в зада­чу дисциплины «Элементы систем автоматизированного электропривода». Основу данного класса ПЧ составляет автономный ин­вертор, выполняемый в двух вариантах, — как АИН и АИТ. Для варианта ПЧ с АИН управляемый преобразо­ватель (УП) должен обладать малым внутренним сопро­тивлением, чтобы обеспечить постоянство напряжения питания инвертора независимо от тока нагрузки. При зна­чительном внутреннем сопротивлении УП условие Ud =const может быть обеспечено с помощью сильной отри­цательной обратной связи по напряжению. Так как полярность Ud не изменяется, то рекуперация э нергии из цепи нагрузки в сеть переменного тока возможна только при изменении направления тока I_d. Для этого требуется реверсивный УП с двумя комплектами вентильных групп. Данное об­стоятельство усложняет схему и исполнение ПЧ с АИН, что является его недостатком.

Для варианта ПЧ с АИТ УП должен обеспечивать постоянство входного тока инвертора Id независимо от напряжения нагрузки, т. е. независимо от скорости асинхронного двигателя — нагрузки ПЧ. Условию I_d = const соответствует работа УП в режиме источника тока, что достигается с помощью обратных связей и введения в цепь постоянного тока реактора с большой индуктивностью. Задаваемый ток h должен изменяться с помощью УП (см. рис. 1.12). Так как направление I_d не изменяется, то для рекуперации энергии требуется изменение полярности напряжения УП. Это условие может быть выполнено на нереверсивном УП с одной вентильной группой путем перевода его в режим инвертора, ведомого сетью. Данное обстоятельство является достоинством ПЧ с АИТ, так как его схема содержит меньшее число силовых вентилей чем схема ПЧ с АИН. Однако ПЧ с АИТ не может рабо­тать без обратных связей по напряжению или скорости двигателя, которые должны обеспечить ему установив­шиеся режимы. Регулирование частоты выходных напряжений или тока ПЧ осуществляется системой управления инверто­ром, функциональная схема которой показана на рис. 3.2. Схема включает в свой состав задающий генератор ча­стоты ЗГ, преобразующий аналоговый сигнал управления и_у,f в колебания прямоугольной формы с частотой f₃,_г, распределитель импульсов РИ, преобразующий колеба­ния ЗГ в синхронизированную по частоте и фазе трех­фазную систему импульсов и распределяющий импульсы по шести каналам управления тиристорами инвертора, формирователь управляющего импульса ФИ, формиру­ющий импульс управления тиристором по длительности, форме и мощности. В зависимости от схемных решений . ФИ может быть как самостоятельным элементом, так и входить в состав РИ. Для каждого блока, входящего в состав системы управления, следует различать его реаль­ные физические входные и выходные величины (напряжения и импульсы напряжения или тока) и функциональные (напряжения и частоты).

В качестве задающего генератора в ПЧ обычно ис­пользуется генератор прямоугольных колебаний. Его вы­ходное напряжение имеет форму двуполярных прямоугольных колебаний, частота которых пропорциональна управляющему напряжению. В функциональном отноше­нии ЗГ может рассматриваться как безынерционное звено с линейной характеристикой и передаточным коэффици­ентом

В построении схем распределителя импульсов исполь­зуются различные принципы. В соответствии с исполь­зованием того или иного принципа основу распредели­теля импульсов могут составлять кольцевые коммутато­ры, диодные матрицы, схемы совпадений. Функционально распределители импульсов РИ всех видов работают оди­наково. На шести выходных каналах РИ по числу тири­сторов в АИН выделяются узкие синхронизирующие им­пульсы. Возникая в каждый полупериод ЗГ, импульсы передаются поочередно на выходные каналы 1, 2, ..., 6; 1,2,..., 6 и т. д. В результате импульсы следуют от канала к каналу с частотой 2f₃,r, а в каждом отдельном канале — с частотой 2f_3,Г/6=fз,г/3. Таким образом, относительно каждого выходного канала РИ оказывается делителем частоты с передаточным коэффициентом

Полученные синхронизирующие импульсы усиливают­ся и расширяются с помощью формирователей импульсов ФИ, т. е. приобретают параметры, необходимые для на­дежного открывания тиристоров инвертора. Функцио­нально формирователь управляющих импульсов пред­ставляет собой усилительное звено с передаточным коэф­фициентом

В целом система управления инвертором, образующая канал частоты ПЧ, представляется линейным и безынер­ционным элементом с результирующим передаточным ко­эффициентом

Автономный инвертор функционально отличается от выпрямителя только направлением преобразования. На­пряжение или ток цепи постоянного тока преобразуется в трехфазную систему переменного тока. Поэтому основу трехфазного автономного инвертора составляет такая же, как и для выпрямителя, мостовая схема с шестью рабо­чими управляемыми тиристорами. Аналогичной будет и диаграмма очередности включения рабочих тиристоров, в соответствии с которой открывающие импульсы посту­пают на вентильную группу с фазовым сдвигом 60° отно­сительно один другого. В отличие от УП, в котором ра­бочий интервал открытого состояния тиристора =120°, в автономном интервале этот интервал в принципе может изменяться в пределах 0<180°. Этот факт объясня­ется различием в процессах коммутации тиристоров в УП и автономном инверторе.

Управляемый выпрямитель — преобразователь с так называемой естественной коммутацией, при котором тиристоры запираются автоматически напряжением пита­ния в моменты появления отрицательных потенциалов на анодах. Поэтому в трехфазной схеме в режиме непрерыв­ных токов A=const = 120°. Автономный инвертор — преобразователь с так называемой искусственной коммута­цией. Тиристоры включены на напряжение постоянного тока с неизменной полярностью. Для запирания открыто­го тиристора требуется искусственным путем с помощью специального коммутирующего устройства создать на катоде положительный потенциал относительно анода. В результате этого создается возможность в любой мо­мент времени не только открывать, но и запирать тиристоры. При этом максимальное заполнение периода им­пульсом напряжения будет иметь место при 180°. Практически в инверторах реализуется продолжитель­ность открытого состояния тиристора в 120 и 180°. При таких значениях угла , высокое заполнение периода им­пульсом напряжения достигается симметричными и про­стыми схемами управления.