Преобразователи частоты для частотного электропривода

Преобразователи частоты строятся на основе полупроводниковых элементов –— транзисторов, тиристо­ров и т.д., которые получили название статических преобразователей частоты (СПЧ). Широкое распростране-ние СПЧ объясняется их высокими технико-экономическими показате-лями.

Все СПЧ разделяются на две большие группы:

1) СПЧ с непосредственной связью питающей сети и нагрузки –—непосредственные ПЧ(НПЧ); иное их название – —цикло-конверторы;

2) СПЧ с промежуточным звеном постоянного тока.

Статические преобразователи частоты со звеном постоянного тока состоят из следующих основных блоков (рис. 8.18,а): управляемого вы-прямителя (УВ) 1 со схемой управления 2, автономного инвертора (АИ) 3 со схемой управления 4 и фильтра 5 в звене постоянного тока. Напряжение сети (U_C,f_C)в СПЧ преобразуется в напряжение U_S регули-руемой частоты f_S. Амплитуда этого напряжения регулируется системой управления выпрями­телем (СУВ), а его частота –— системой управления инвертором (СУИ). В зависимости от схемы фильтра Ф (рис. 8.18,б,в) в звене постоянного тока АИ делятся на инверторы напряжения (АИН) и тока (АИТ). АИН являются источниками напряжения, для чего фильтр, кроме индуктивности Ьф L_Ф, содержит конденсатор С_Ф емкостью порядка (2...5)10³мкФ. Это обеспечивает АИН жесткую характеристику (зависи-мость напря­жения от нагрузки). Управляющими воздействиями на дви-гатель в СПЧ-АИН являются амплитуда и частота напряжения.

В схеме СПЧ на основе АИТ в звено постоянного тока включается реактор L_d с большой индуктивностью (рис. 8.18,в), что делает такой ин-вертор источником тока.

В схеме СПЧ-АИТ управляющими воздействиями на двигатель являются частота и ток статора.

Рис. 8.18. Схема статического преобразователя частоты (а) и схемы фильтров (б, в) в звене постоянного тока.

Замкнутая система регулирования СПЧ-АИН. Процесс выпрямления напряжения сети U_С с помощью УВ не отличается от процесса в ЭПх пос-тоянного тока.

Рассмотрим работу АИН на примере трехфазной мостовой схемы (рис. 8.19) с подключением обмоток АД, соединенных в звезду (соедине-ние обмоток в треугольник не меняет принципа работы АИН).

Рис. 8.19. Принципиальная схема силовой части АИН

Тиристоры VS1...VS6 осуществляют поочередное подключение ис-точника постоянного напряжения U_d к точкам А, В и С, являющимися выходами инвертора. На схеме не изображены устройства принудитель-ной коммутации тиристоров; взамен тиристоров могут применяться так-же транзисторы. Тогда фазные напряжения инвертора и_аИ, и_бИ Щииии_си, рав-ные потенциалам точек А, В и С относительнонуля, зависят от состоя-ния тиристоров VS1...VS6. При у = 180°эл. всегда открыты три тирис-тора одновременно. Построение фазных напряжений инвертора, линей-ных и фазных напряжений нагрузки при соединении в звезду показано на рис. 8.20. Например, для точки А и_аи = + 0£U_d, когда открыт VS1, и м_аи = - 0,5£/д- при от­крытом VS4.

Рис. 8.21. Принципиальная схема силовой части автономного инвертора напряжения (устройства коммутации тиристоров VS1...VS6 не показаны).

Получение формы выходного напряжения при у =180°эл. можно показать следующим образом. Последовательным включением двух конденсаторов С1 и С2 равной емкости на входе инвертора образуем нулевую точку, как показано на рис. 8.21, потенциал которой равен нулю. Тогда фазные напряжения инвертора и_аИ, Щи и и_си, равные потенциалам точек А, В и С относительнонуля, зависят от состояния тиристоров VS1...VS6. Например, для точки А и_аи = + 0£U_d, когда открыт VS1, и м_аи = - 0,5£/д- при от­крытом VS4. При у = 180° эл. всегда открыты три тиристора од­новременно. Соответствующие построения фазных напряжений инвертора и_ая, Щ_Ии и_С1Л, линейных напряжений и_аЪ, щ_си и_са и фазных напряжений нагрузки и_а, щ и и_спри соединении в звез­ду показаны на рис. 8.22. Там же обозначены тиристоры, находящиеся в проводящем состоянии. Линейные напряжения равны:

. (8.22)

Условие равенства нулю суммы фазных напряжения, ввиду наличия напряжения третьей гармоники, не соблюдается.В симметричной системе и_а„+и_бщ+и_с=0 получим:

. (8.23)

Вентили VD1...VD6 обратного тока (рис.8.20), служат для возврата реактивной энергии АД в конден­сатор С_ф либо, (частично), через откры-тый тиристор другой фазы в нагрузку. При углепроводимости тиристо-ров у = 120°эл. форма кривой фазного напряжения зависит от cos_cp наг-рузки и в целом имеет более сложный характер.

Для нахождения фазных напряжений и_а, и_би и_с и„, щ и и_сна нагрузке при соединении звездой запишем систему уравнений:

u_ab = u_an-u_bn; u_bc = u_bn-u_cn; u_ca = u_cn-u_an.

Напряжение инвертора и нагрузки при у = 180°эл.аналогично (см. рис.8.20), так как нулевая пауза в кривой напряжения заполняется из-за открытого состояния одного из диодов (VD1...VD6), через который в данный интервал времени осуще­ствляется возврат энергии.

Схема силовой части ПЧ на основе АИН показана на рис.8.21, а. aАмплитуда напряжения на входе инвертора регулируется тиристорами VS7...VS12 УВ; между УВ и АИН включен Ь_фL_Ф-С_Ф-фильтр. Для коммутации тиристоров VS1...VS6 инвертора служат конденсаторы С и реакторы L. Отсекающие диоды VD7...VD12 предотвращают разряд ком-мутирующих конденсаторов через нагрузку. Частота коммутации тирис-торов VS1...VS6, определяет выходную частоту инвертора, задается системой управления.

Рис. 8.20.Cхемаобратного тока вентилейVD1...VD6

Каждый из тиристоров VS1...VS6 может быть открыт в течение 1/3 периода, т.е. у=120°эл. При отпирании очередного тиристора из группы VS1, VS3, VS5 или VS2, VS4, VS6 предшествующий тиристор запирается.

а

б

Рис. 8.21. Схема силовой части СПЧ на основе АИН (а) и схема индивидуальной коммутации тиристора (б).

Допустим, открыты тиристоры VS1 и VS2. Коммутирующий конденсатор заряжается по цепи: Uj–—VS1—–L—–С—–—VD9 –— нагрузка – —VS2-UdJ. noПoокончании процесса заряда на левой обкладке конденсатора имеется «+» (цепи заряда других конденсаторов не рассматриваем).

Следующим по порядку работы включается тиристор VS3 (VS5 в этом такте включен быть не может, так как при открытом VS2 это приведет к короткому замыканию), после чего на короткое время прохождения обратного тока образуется цепь С⁺ – —L – —VS1 – —VS3 –— СН~ и тиристор VS1 запирается. В дальнейшем рассматриваемый конденсатор перезаряжается по цепи Ua –-VS3 –- С – -L – -VD7 –- нагрузка – -VD8 – —VS2 –—Ud.- Некоторое время, определяемое параметрами коммутирующей цепи, на левой обкладке конденсатора сохраня­ется знак «+», что необходимо для восстановления запирающих свойств тиристора VSI.

Следующим будет включен тиристор VS4. Такая коммутация называется фазовой. Ограничением схем с фазовой коммутацией являет-ся фиксированный угол проводящего состояния тиристоров 120° эл., когда в проводящем состоянии находятся лишь два тиристора одновременно (рис.8.21,а). Этот недостаток устраняется применением схем с двухступенчатой коммутацией, в которых запирание очередного вентиля происходит в момент включения вспомогательного тиристора, подключающего источник коммутирующей ЭДС. При такой коммутации ток нагрузки кратковременно переводится на вспомогательный тиристор.

Рис. 8.22.Cхемаобратного тока вентилейVD1...VD6

Можно выделить следующие группы схем инверторов с двухступен-чатой коммутацией:

1) с индивидуальной коммутацией тиристоров;

2) с групповой коммутацией;

3) с общим узлом коммутации.

Количество схем коммутации чрезвычайно велико. Приведем одну из них –— схему с индивидуальной коммутацией, в которой каждый из силовых тиристоров инвертора имеет вспомогательный (коммутиру-ющий) тиристор. Схема гашения одного из силовых тиристоров (напри-мер, VS1 на рис.8.21,а), изображена на рис.8.21,б. Перед отпиранием основного тиристора VS1 предварительно отпирается коммутирующий тиристор VSK и конденсатор С заряжается по цепи Ud –— С –— VSK –— VD1 –— нагрузка и т.д. По окончании процесса заряда на левой обкладке конденсатора имеется «+» и тиристор VSK запирается, поскольку зарядный ток /за_РI_ЗАР через него прекращается.

При отпирании основного тиристора VS1 конденсатор перезаряжается по цепи С⁺ – —VSI – —VDK – —L – —С" (i_pa3pI_РАЗР –— ток разряда). Параметры коммутирующей цепи L – —С выбираются таким образом, чтобы обеспечить колебательный характер процесса, в результате которого на правой обкладке конденсатора будет положительный заряд. Теперь коммутирующая цепь подготовлена к своей основной функции –— запиранию тиристора VS1. Это произойдет в нужный момент при отпирании коммутирующего тиристора VSK, когда «+» конденсатора прикладывается к катоду VS1; последний запирается, а процесс перезаряда конденсатора теперь уже с участием источника питания U_d происходит аналогично описанному выше. По его окончании на левой обкладке конденсатора будет положительный заряд и схема готова к следующему такту работы. Процессы коммутации и зарядов-разрядов коммутирующих конденсаторов столь кратковременны, что не могут оказать существенного влияния на работу двигателя.

В рассмотренных схемах ПЧ регулирование амплитуды напряжения на АД, необходимое при регулировании частоты, осуществляется с помощью УВ, который работает так же, как и в приводах постоянного тока. Напряжение м_фU_Ф на фазе двигателя и ток /I_фФ фазы при этом изменяются, как показано на рис.8.22,а.

Как видно, форма тока значительно отличается от синусоидальной. Высшие гармоники тока создают пульсирующие моменты, которые начинают сказываться на работе привода при частоте питания ниже 10 Гц. Это ограничивает возможности привода. Между тем применение принципов двухступенчатой коммутации, которая необходима для надежной работы инвертора (одна из возможных схем показана на рис. 8.23,б), позволяет регулировать напряжение внутри инвертора за счет изменения времени проводящего состояния силовых тиристоров. Это дает возможность вместо УВ применять неуправляемый, выполненный на шести диодах. Такой ПЧ предпочтительнее с точки зрения вредного влияния на питающую сеть.

Рис. 8.22. Напряжение фазы U_Ф и ток фазы I_Ф при питании от инвертора с фазовой коммутацией (а) и напряжения и токи при прямоугольной(б) и синусоидальной (в) ШИМ

При регулировании внутри инвертора для уменьшения содержания высших гармоник в кривой выходного напряжения применяется принцип ШИМ, согласно которому, ширина импульсов изменяется по определенному закону (рис. 8.22,б,в) в течение интервала проводимости инвертора. На указанном рисунке дан упрощенный вид кривой, хотя он в достаточной мере иллюстрирует принцип регулирования. При прямоу-гольной модуляции (рис.8.22,б), которая является частным случаем ШИМ, кривая напряжения состоит из нескольких импульсов одинаковой ширины. Время hT_K включенного состояния тиристора не изменяется, рв течение интервала О...тг (Гком = const и 0 < /i <Т_КОм)-Регулирование напряжения, первая гармоника щ которого показана на рисунке, заключается в изменении t₁.

Для получения сину­соидального ШИМ-напряжения необходима микропроцессорная система управления инвертором: при этом ток в обмотках двигателя имеет форму, близкую к синусоидальной (рис.8.22,в).

Реальные ПЧ, построенные по принципу ШИМ, имеют напряжение, состоящее из 50 и более импульсов на полупериоде на нижнем пределе частоты питания f_S. При повышении ^ частоты до номинального значения количество импульсов уменьшается.

Таким образом, инвертор с ШИМ обеспечивает не только регулиро-вание напряжения, но и улучшение его гармонического состава. Регули-рование напряжения возможно и на входе инвертора. В такой схеме (рис.8.23,а) применяется неуправляемый выпрямитель В, а между ним и инвертором включается коммутатор –— широтно-импульсный преобразо-ватель (ШИП). При этом регулируется среднее значение напряжения на входе АИН, а следовательно, и напряжение на двигателе. Принципи­альная схема ШИП приведена на рис. 8.23,б. ШИП состоит из основного VS1 и вспомогательных VS2, VS3 тиристоров, токоограничивающего реактора L1, конденсатора С_КОМком и реактора L_{КОМ rom}коммутирующего контура. Импульсы управления тиристорами формируются СИФУ. Предварительно открывается VS3 и конденсатор С_КОМС_ком заряжается по цепи Е ^–— VS3 —– С_комС_КОМ ~ L_K0M ~ Li— – нагрузка – —E_d(знак «+» на левой обкладке С_КОМС_ком).- Затем отпираются VS1 и VS2; к нагрузке приклады-вается полное напряжение Е_А (пренебрегая влиянием L1), а конденсатор С_КОМС_ком перезаряжается по цепи С_КОМ С_КОм–— VS2 – —L_K0M – —С_КОМСк_0М (параметры С_КОМС_ком ~ L_K0M обеспечивают колебательный характер), в результате чего С_КОМС_ком приобретает «+» на правой обкладке. Теперь схема готова к коммутации VS1, для чего в нужный момент отпирается VS3; к катоду VS1 прикладывается «+» С_КОМ С_КОм, тиристор запирается, и процесс повторяется.

Частота коммутации ШИП выбирается высокой (до 1 кГц), что поз-воляет уменьшить габариты фильтра. СИФУ не имеет синхронизации с сетью; она сдвигает управляющие импульсы VS3 относительно VS1.

Достоинством ПЧ с ШИМ и ШИП является возможность работы от нерегулируемого источника постоянного тока, в том числе от аккумуля-торных батарей.

ПЧ на основе АИТ в упрощенном виде представлен на рис. 8.24, в котором основные коммутирующие конденсаторы С1...С6 включены между рабочими тиристорами фаз VS1...VS6, а в интервалах между коммутациями отделены от нагрузки диодами VD1...VD6. В такой схеме АИТ применяется фазная коммутация тиристоров, т.е. запирание про-водящего тиристора происходит при открывании тиристора другой фазы (например, запирание VS1 приотпирании VS3, запирание vsbVSB при отпирании VS2 и т.д.). Функционирование ЭП с АИТ возможно лишь в замкнутой системе регулирования.

Схемы с непосредственным преобразователем частоты (НПЧ) формируют напряжение на двигателе непосредственно из напряжения сети. Это поясняется весьма распространенной схемой НПЧ с нулевым проводом, имеющей три реверсивных выпрямителя, к выходу каждого из которых под­ключена фаза двигателя (см. рис.8.24).

Рис. 8.23. Схема статического преобразователя частоты с ШИП на входе инвертора (а) и принципиальная схема ШИП (б)

Рис. 8.24Напряжение фазы и_ф и ток фазы /_ф при питании от инвертора

с фазовой коммутацией (а) и напряжения и токи при прямоугольной

(б) и синусоидальной (в) ШИМ.

.Каждый из трех реверсивных выпрямителей, например U1, содержит шесть тиристоров VS1...VS6 для фазы А, три из кото­рых (VS1...VS3) подключены к сети анодами, а три оставшихся (VS4...VS6) –— катодами. В приведенной схеме нулевая точка трансформатора соединена с общей

Рис. 8.25. Схема статического преобразователя частоты с ШИП на входе инвертора (а) и принципиальная схема ШИП (б)

Рис.8.24. Схема НПЧ с нулевым проводом

точкой трехфазной обмотки статора, поэтому такая схема называется нулевой. Рассмотрим процесс формирования напряжения в фазе А для случая активной нагрузки. При подаче управляющих импульсов на тиристоры VS1...VS3 в моменты времени соответственно t_\, ₁, t₂h, t₃h(рис.8.25,а) на фазе двигателя формируется напряжение Uu₂, состоящее из трех участков синусоидального напряжения вторичной обмотки трансформатора TV (см. рис. 8.24, 8.25,б).

При этом проводящий тиристор, например VS1, запирается при включении следующего (VS2), поскольку потенциал на аноде тиристора VS1 ставится меньше, чем потенциал на аноде тиристора VS2. Происходит естественная коммутация за счет напряжения сети, что позволяет назвать НПЧ преобразователем частоты сестественной коммутацией.

Количество участков синусоиды, из которых формируется напряжение на двигателе, может быть большим, чем это показано на рис. 8.25,б, если в моменты пересечения синусоид продолжать подавать управляющие импульсы на тиристоры VS1...VS3.

Если прекратить подачу управляющих импульсов на VS1...VS3 и подать импульсы на VS6, VS4 и VS5 в моменты t₅, t₆k, t₇Ь, то на нагрузке будет сформировано напряжение из трех участков синусоиды отрица-тельной полярности.

Кривая Uи₂ будет периодически повторяться, если продолжать по­дачу импульсов на VS1...VS3, и т.д. Первая гармоника выходного напряжения обозначена щ_аU_а. Для регулирования напряжения отпирание

Рис. 8.25. Кривые напряжения сети (а) и на выходе НПЧ при различных значениях угла регулирования (б – г.)

последующего тиристора каждой из групп производят не в моменты естественной коммутации (t₁, t₂, t₃U, t₂, hи т.д.), а со сдвигом на некоторый угол

сформировано напряже­ние из трех участков синусоиды отрицательной полярности. αа (рис. 8.25,в). Выходное напряжение на нагрузке определяется соотно-шением

(8.24)

где U/7_1Ф – фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора; αа–— угол регулирования.

Из рис. 8.25 видно, что частота выходного напряжения ниже, чем частота питающей сети f_c,и что

где n = 0,1…2,3 –— количество открываемых тиристоров в группе за вычетом одного. Поскольку

. (8.25)

Из формулы (8.25) видно, что частота /f_S зависит от частоты первичной сети f_C./с, числа полуволн первичного напряжения (л+1) и числа фаз m\ первичной сети. Регулирование частоты f_S /_sпроис­ходит дискретно. Для плавного регулирования частоты f_S/_s вво­дится пауза между включением и выключением анодной и катодной группы тиристоров.

При работе преобразователя на асинхронный двигательАД энер­гия, накопленная в магнитном поле, должна быть возвращена в питающую сеть. С этой целью тиристоры переводятся в инвер-торный режим: анодной группы VS1...VS3 –— при отрицательном напряжении, катодной группы VS4...VS6 –— при положительном. Перевод тиристоров из выпрямительного режима в инверторный и наоборот должен осуществляться при нулевом токе и по истечении выдержки времени, необходимого для восстановления управляющих свойств тиристора. Контроль тока осуществляется датчи-ками тока и скорости. Другим решением является установка уравнитель-ных реакторов подобно тому, как это делается в реверсивных выпрями-телях.

Рис. 8.27. Кривые напряжения сети (а) и на выходе НПЧ при различных значениях угла регулирования (б – г.).

Как следует из соотношения (8.24), для регулирования амплитуды выходного напряжения изменяют угол αа. Амплитуда первой гармоники выходного напряжения U_а на рис. 8.25,в больше, чем на рис. 8.25,г, поскольку αа₂>α₁.

а^. Недостатки НПЧ –— низкий коэффициент мощности вследствие изменения угла регулирования αа и не-синусоидальная форма кривой вы-ходного напряжения. Кривая выходногонапряжения содержит основную гармонику с частотой f_S и пульсирующее напряжение зубчатой формы, уменьшающееся с увеличением соотношения f_C/f_S. Для улучшения гар-монического состава выходного напряжения углы регулирования в вы­прямительном и инверторном режимах изменяют по арккосину-соидаль-ному закону.

Существуют схемы НПЧ с принудительной коммутацией на основе тиристоров и транзисторов, благодаря которым можно получить выход-ную частоту f_S большую частоты f_C,.

Расчет механических характеристик частотного ЭП с НПЧ выполня-ют, пренебрегая влиянием высших гармоник в кривой выходного напря-жения на момент двигателя. При этом справедливы соотношения зако-нов частотного регулирования, рассмотренные ранее.

Дата добавления: 2014-11-29