Дементьев Ю.Н., Чернышев А.Ю., Чернышев И.А. Автоматизированный электропривод (учебное пособие)

Подождите немного. Документ загружается.

121

 сложность устройств управления. Большое число тиристоров

требует большого числа систем импульсно-фазового управления;

 коэффициент мощности преобразователя существенно меньше

единицы (

cos





);

 существенно искажается форма напряжения питающей сети;

 трудности получения частот, близких к частоте питающей се-

ти. Для нулевой схемы максимальная частота выходного напряжения

обычно ограничивается 16

max1



f Гц. Переход к мостовой схеме расши-

ряет рабочий диапазон до 25

max1



f Гц.

Поэтому асинхронные электроприводы с непосредственными

преобразователями частоты применяются для безредукторных электро-

приводов средней и большой мощности.

5.1.10. Автономные инверторы тока

Схема силовых цепей трехфазного мостового инвертора тока при-

ведена на рис. 5. 32.

Рис. 5.32. Схема силовых цепей трехфазного мостового инвертора тока

Условные обозначения, принятые на рис . 5.32:

СУВ – схема управления выпрямителем;

РТ – регулятор тока;

СУИ – схема управления инвертором;

ФП – функциональный преобразователь.

Двухступенчатые преобразовательные устройства выполняются

на основе выпрямителя трехфазного переменного напряжения сети и



 



7VS

1C 2C

9VS 11VS1VS 3VS 5VS

4VS 6VS 2VS 10VS 12VS 8VS

СУВ

РТ

СУИ

ФП

)(

з.с

122

автономного инвертора, преобразующего выпрямленное напряжение в

переменное трехфазное с регулируемой частотой и амплитудой. Не-

смотря на двукратное преобразование энергии и обусловленное при

этом некоторое снижение КПД, преобразователи частоты с промежу-

точным звеном постоянного тока получили наибольшее распростране-

ние в регулируемом электроприводе.

В автономном инверторе тока управляемый выпрямитель, выпол-

ненный на тиристорах

...

, работает в режиме регулятора тока, а

инвертор на тиристорах

...

формирует требуемую частоту вы-

ходного тока. Фильтр с индуктивностью

обеспечивает сглаживание

пульсаций выпрямленного тока

Тиристоры инвертора тока

...

, включенные по трехфазной

мостовой схеме, пропускают ток в течение 120 электрических градусов.

Переключение производится с периодичностью

в последовательно-

сти, соответствующей нумерации тиристоров. Диаграммы токов для

каждой из фаз инвертора приведены на рис. 5.33.

Рис. 5.33. Диаграммы то-

ков для каждой из фаз

инвертора

Коммутация тока и компенсация реактивной мощности осуществ-

ляется конденсаторами

...

на стороне переменного тока. При ак-

тивно-индуктивной нагрузке на выходе инвертора и на тиристорах

...

в моменты коммутации могут возникнуть значительные пе-

ренапряжения, обусловленные действием ЭДС самоиндукции нагрузки.

Их ограничение достигается установкой соответствующих емкостей.

При снижении частоты и при постоянном моменте на валу двигателя

емкость конденсаторов возрастает обратно пропорционально квадрату

частоты.

При переходе двигателя, питаемого от автономного инвертора то-

ка, в генераторный режим изменяется направление противо-ЭДС инвер-

тора, который переходит в режим работы выпрямителем, что могло бы

вызвать увеличение тока в звене постоянного тока. Однако за счет

21

32  43  54  65  16 

21 32  43 

123

сильной отрицательной обратной связи по току, которой охвачен вы-

прямитель, ток в звене постоянного тока сохраняется на прежнем уров-

не, а выпрямитель переводится в режим инвертора, ведомого сетью.

Вследствие чего происходит рекуперация энергии в питающую сеть без

изменения направления тока в звене постоянного тока.

Таким образом, в автономных инверторах тока легко реализуются

тормозные режимы двигателя с рекуперацией энергии в сеть, что делает

предпочтительным его применение в реверсивных электроприводах.

Более совершенной схемой этого класса является схема автоном-

ного инвертора тока с отсекающими диодами рис. 5.34.

Рис. 5.34. Схема силовых цепей автономного инвертора тока с

отсекающими диодами

В схеме автономного инвертора тока рис. 5.34. конденсаторы

...

отделены от нагрузки с помощью диодов

...

, благодаря

чему конденсаторы участвуют в работе инвертора лишь в сравнительно

короткое время коммутации, а в остальное время ток через них не про-

текает. Это позволяет существенно уменьшить емкость конденсаторов.

Основные достоинства преобразователей частоты с автономными

инверторами тока:

 возможность рекуперации энергии в сеть;

 близкое к синусоидальному выходное напряжение;





7VS

9VS 11VS

1VS 3VS

5VS

4VS 6VS 2VS 10VS 12VS 8VS

СУВ

РТ

СУИ

ФП

)(

з.с

1C 3C





 

6C 2C



 

1VD

3VD

5VD

4VD 2VD

6VD

124

 безаварийность режима короткого замыкания в нагрузке.

Недостатки:

 ограничение выходной частоты на уровне 100-125 Гц;

 коммутационные перенапряжения на тиристорах, что застав-

ляет усложнять силовую схему;

 невозможность работы на групповую нагрузку;

 существенные вес и габариты индуктивного фильтра.

5.1.11. Автономные инверторы напряжения

Если от преобразователя частоты необходимо питать многодвига-

тельный электропривод, то преобразователь должен быть построен по

схеме инвертора напряжения с отсекающими диодами и диодами реак-

тивного тока рис. 5.35.

Рис. 5.35. Схема асинхронного электропривода с автономным ин-

вертором напряжения

Преобразователь переменного напряжения в постоянное на рис.

5.35 не показан. Выпрямленное напряжение фильтруется с помощью

емкостного фильтра, выполненного на конденсаторе

Отсекающие диоды

...

отсекают конденсаторы

...

от

асинхронного двигателя

, что ограничивает работу конденсаторов

кратковременным интервалом коммутации и обеспечивает сохранение

зарядов на них до наступления следующей коммутации.

Энергия, запасенная в индуктивностях нагрузки, снова возвраща-

ется в источник постоянного тока через диоды обратного хода

...

. Очередность работы вентилей:

;



;



;



;



;



;



;



7VD 9VD

11VD

1VS 3VS 5VS

VS4

VS6

VS2

VD4

VD1 VD3 VD5

VD6 VD2

C3 C5

C6 C2





125

В схеме возможно выключение любого рабочего тиристора в за-

данный момент времени независимо от состояния других тиристоров,

что дает возможность регулировать действующее значение напряжения

на нагрузке изменением длительности открытого состояния рабочего

тиристора. Такое построение автономного инвертора позволяет исполь-

зовать для получения постоянного напряжения неуправляемый выпря-

митель. Принцип синусоидальной широтно-импульсной модуляции

(ШИМ) показан на рис. 5.36.

Рис. 5.36. Принцип синусоидальной широтно-импульсной

модуляции

При ШИМ-модуляции схема управления определяет моменты

коммутации полупроводниковых приборов при равенстве опорного

оп

треугольного напряжения и управляющего

U синусоидального.

Для электроприводов небольшой мощности в последние годы в

качестве ключей нашли применение силовые транзисторы типа IGBT и

MOSFET. Асинхронный электропривод с автономным инвертором на-

пряжения, выполненным на IGBT-транзисторах, приведен на рис. 5.37.

Рис. 5.37. Асинхронный электропривод с автономным инвертором

напряжения, выполненным на IGBT-транзисторах

Индуктивный характер нагрузки учитывается подключением па-

раллельно транзисторным ключам

...

диодов

...

, обеспе-

оп

ин

1В

0С

1VT

4VT

7VT

3VT

5VT

2VT6VT

1VD 3VD 5VD

6VD

2VD

4VD



126

чивающих непрерывность цепи протекания тока в обмотках статора при

отключении их от источника питания и возврат запасенной электромаг-

нитной энергии в конденсатор

фильтра.

Так как IGBT-транзисторы могут переключаться при значительно

больших частотах, чем тиристорные ключи, то и форма тока, проте-

кающего через обмотки двигателя становиться значительно ближе к си-

нусоидальной. Очевидно, что чем выше несущая частота ШИМ, тем

меньше амплитуда колебаний тока в обмотках статора двигателя. На

рис. 5.38 приведены осциллограммы токов статора асинхронного двига-

теля при низкой и высокой несущей частоте опорного напряжения

ШИМ модулятора.

Рис. 5.38. Осциллограммы токов статора асинхронного двигателя

при низкой (а) и высокой (б) несущей частоте опорного напря-

жения ШИМ модулятора

Однако чрезмерное увеличение несущей частоты может при-

вести к перегреву двигателя и ключей инвертора. Чем выше частота

коммутации ключей, тем выше потери энергии в них.

В электроприводах, имеющих в цикле работы участки рекупе-

рации энергии, запасенной во вращающихся частях электропривода,

или высокую интенсивность тормозных режимов для эффективного

торможения приходится предусматривать специальный узел сброса

энергии, состоящий из дополнительного ключа

и резистора

Ключ

открывается при превышении напряжения на емкости

сверхдопустимого значения, вследствие чего обеспечивается «сброс»

энергии в резистор

, рассеивающий эту энергию.

В структурах электроприводов с автономными инверторами на-

пряжения, охваченными отрицательной обратной связью по току, ин-

вертор приобретает свойства источника тока.

В электроприводах с автономными инверторами напряжения

возможен режим векторного управления, что позволяет использовать

их для процессов с повышенными требованиями к динамике и пуско-

вому моменту. Кроме того, эти преобразователи совместно с асин-

хронными двигателями во многих случаях позволяют заменить более

дорогой электропривод постоянного тока.

5.1.12.. Асинхронный электропривод с частотным регулированием

угловой скорости

а б

127

Изменение частоты питающего напряжения асинхронного дви-

гателя влияет как на его синхронную скорость

ω , так и на его реак-

тивные сопротивления, которые меняются пропорционально измене-

нию частоты:

н11σн1σ1

/ ffXX





;

н11

σн2

σ2

/ ffXX

 ;

н11н

/ ffXX

jmm





, (5.50)

где

f – номинальное значение частоты напряжения статора асинхрон-

ного двигателя;

, XX .– индуктивное сопротивление рассеяния об-

мотки статора и индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора,

приведенное к обмотке статора при номинальной частоте питающей се-

ти

f .

Если одновременно с частотой

изменять и переменное напря-

жение

обмоток статора асинхронного двигателя, то появляется воз-

можность реализовать в системах «преобразователь частоты – асин-

хронный двигатель» различные законы регулирования скорости. Для

сравнительной оценки этих законов регулирования воспользуемся урав-

нением баланса мощностей. Мощность на валу двигателя

MsPPP













 )1(ω

, (5.51)

где

– электромагнитная мощность, передаваемая от статора к ротору;

Р – мощность потерь в роторе.

Из (5.51) следует, что при любом способе регулирования скорости

асинхронного двигателя важно согласовать регулировочные механиче-

ские характеристики двигателя с его нагрузкой.

По характеру зависимости момента механизма от его скорости –

)(





fМ можно выделить следующие механические характеристики

производственных механизмов:

 не зависящая от угловой скорости механическая характери-

стика

;

constM







kP ; (5.52)

 нелинейно-спадающая механическая характеристика или ра-

бота с постоянной мощностью

constPkM 



;ω ; (5.53)

 нелинейно-возрастающая механическая характеристика или

вентиляторная нагрузка

 kPkM (5.54)

В частотно-регулируемых электроприводах переменного тока за-

висимости (5.52)–(5.54) можно сформировать и для электромагнитных

моментов двигателей. Например, при постоянном моменте нагрузки

128

)(

constM



управление напряжением и частотой тока статора асин-

хронного двигателя должно осуществляться по закону

constfU



(5.54)

При нелинейно-спадающей нагрузке



 kM –закон управле-

ния напряжением и частотой принимает вид

constfU



. (5.55)

Наконец, при «вентиляторной» нагрузке

 kM напряжение и

частота должны изменяться в соответствии с зависимостью

constfU



. (5.56)

Законы управления (5.54)–(5.56), связывающие напряжение, час-

тоту и характер нагрузки, описываются формулой М.П. Костенко:

н1

н11

 , (5.57)

где

U – номинальное напряжение питающей сети, В;

– напряже-

ние на выходе преобразователя частоты;

M – статический момент на

валу асинхронного двигателя при данной частоте

Из (5.53) следует, что, например, для привода, работающего с по-

стоянной мощностью, увеличение скорости в четыре раза приводит к

уменьшению статического момента

М также в четыре раза. При этом

потери в стали и на намагничивание уменьшаются, а перегрузочная

способность двигателя остается примерно постоянной:

const



, (5.58)

где

M – критический момент двигателя,



Таким образом, для того, чтобы наиболее эффективно реализовать

принципы частотного управления асинхронным двигателем, необходи-

мо в соответствии с видом нагрузки на валу двигателя управлять на-

пряжением, подводимым к статору, взаимосвязано с изменением часто-

ты тока статора. Перечисленные режимы управления достаточны для

большинства механизмов. Однако закон управления (5.57) справедлив

только в первом аналитическом приближении, когда активным сопро-

тивлением статора

R можно пренебречь. В действительности, при ма-

лых значениях частоты (

5,0 ff





) падение напряжения на сопротив-

лении

R существенно снижает величину напряжения, прикладываемого

к контуру намагничивания, и критический момент асинхронного двига-

теля уменьшается. При более точном анализе, учитывающем падение

напряжения на сопротивлении

R , механические характеристики при-

129

нимают вид, показанный на рис. 5.39. Так, например, при законе управ-

ления ,

constfU



предполагающем постоянство критического мо-

мента, наблюдается его снижение при уменьшении частоты

Рис. 5.39. Механические характеристики производственных механизмов

и электроприводов «преобразователь частоты – асинхронный двигатель»

Функциональная схема электропривода, выполненного по системе

«преобразователь частоты – асинхронный двигатель», реализующая

различные законы управления класса

, приведена на рис. 5.40.

Рис. 5.40. Функциональная схема ска-

лярного частотного управления ско-

ростью асинхронного двигателя

В этой схеме сигнал управления

U определяет модуль напряже-

ния статора. Преобразователь напряжение – частота (ПНЧ) обеспечива-

ет изменение относительной частоты

н111

fffα





в функции от на-

пряжения управления

U по одному из установленных законов регули-

рования (5.54) – (5.56) класса .

11 jj

При частотном регулировании скорости асинхронного двигателя

необходимо учитывать, что реактивные сопротивления двигателя зави-

сят от частоты питающего напряжения. При снижении частоты

ак-

тивное сопротивление

R становится соизмеримым с реактивными со-

U

ПНЧ

ПЧ



U

ПНЧ

ПЧ



5,0 f

25,0 f

constP 

5,0 f

25,0 f

ω kM

5,0 f

25,0 f

constM 

5,0 f

25,0 f

constP 

5,0 f

25,0 f

constP 

5,0 f

25,0 f

ω kM

5,0 f

25,0 f

ω kM

5,0 f

25,0 f

constM 

5,0 f

25,0 f

constM 

130

противлениями машины, поэтому расчет электромеханических и меха-

нических характеристик асинхронного двигателя производится в соот-

ветствии с уравнениями, приведенными в [6].

Электромеханическая характеристика, определяющая зависимость

приведенного тока ротора от скольжения

1н

кн







































fXs

, (5.59)

где

– фазное напряжение обмоток статора асинхронного двигателя;





– относительное значение частоты питающего напряжения.

Электромеханические характеристики )(

 fI , построенные по

(5.59) для трех законов регулирования класса

, приведены на

рис.5.41., где )1(









Рис.5.41. Электромеханические характеристики )(

 fI для трех

законов регулирования класса

Для короткозамкнутого асинхронного двигателя одной из основ-

ных является электромеханическая характеристика )(





fI , отра-

жающая зависимость тока статора

I от скорости



(скольжения s). Ток

статора

I определяется путем сложения вектора тока намагничивания

I и вектора тока ротора

I . Обычно это производится с помощью кру-

говой диаграммы.

Полагая ток намагничивания асинхронного двигателя

I реактив-

ным, ток статора I

через приведенный ток ротора

I можно найти по

формуле [6]:

constfU



5,0 f

25,0 f

constfU



5,0 f

25,0 f

constfU



5,0 f

constfU



5,0 f

25,0 f

constfU



5,0 f

25,0 f

constfU



5,0 f