Онищенко Г.Б. Электрический привод

Подождите немного. Документ загружается.

преобразователя с углом управление

вн

аa

, то получим переменное

напряжение прямоугольной формы заданной частоты. Сдвинув моменты

включения преобразователей, питающих фазы В и С двигателя соответственно

на 2/3 π- и 4/3 π , получим трехфазную систему напряжений прямоугольной

формы заданной частоты и

соответствующей ей амплитуды напряжения

(рис. 6.8).

Если величину а

и а

в течение

каждого полупериода заданной частоты

регулировать по арккосинусоидальному

закону

)2arccos(

tfАаа

jнв

где

cсх

Uк

*11

= , то среднее значения фазных напряжений будут иметь си-

нусоидальную форму

)2sin(

tfAU

= ;

)

2sin(

+= tfAU

jв

;

)

2sin(

+= tfAU

Для получения приемлемой формы выходного напряжения частота на-

пряжения питающей сети должна быть в несколько раз выше частоты выходно-

го напряжения.

Преобразователи частоты с непосредственной связью по схеме рис.6.7

дают возможность при частоте питания 50Гц получать выходную частоту в

пределах 0-20Гц. Поэтому асинхронные электроприводы данного типа чаще

всего применяются для

тихоходных безредукторных электроприводов средней

и большой мощности.

Основным достоинством преобразователей частоты с непосредственной

связью является естественная коммутация вентилей под действием напряжения

питающей сети, как это происходит в управляемых тиристорных пре-

образователях (выпрямителях), используемых в приводе постоянного тока.

Благодаря возможности перевода преобразователя из выпрямительного в ин-

верторный режим, в рассматриваемых

схемах возможно торможение асин-

хронного двигателя с отдачей энергии

торможения в сеть (рекуперативное тор-

можение). Механические характеристики

асинхронного электропривода с преоб-

разователем частоты с непосредственной

связью показаны на рис.6.9.

6.4. Электропривод по системе преобразователь частоты типа авто-

номный инвертор - асинхронный двигатель

В этой системе используются преобразователи частоты с промежуточ-

ной цепью постоянного тока. Блок схема такого преобразователя представлена

на рис.6.10.

Переменное напряжение промышленной сети сначала выпрямляется

посредством регулируемого или

нерегулируемого выпрямителя

UD, а затем подается на

автономный инвертор,

преобразующий постоянное

напряжение (или ток) в напряжение (или ток) регулируемой частоты и величи-

ны.

Регулирование величины напряжения (или тока) промежуточного звена

постоянного тока может производиться управляемым выпрямителем UD, либо

(в инверторах напряжения) в качестве первого звена используется неуправляе-

мый выпрямитель, а регулирование напряжения осуществляется инвертором

методом широтно-импульсной модуляции. В первом случае функции управле-

ния четко разделены: выпрямитель управляет величиной тока или напряжения,

а инвертор - значением выходной частоты преобразователя. Во втором

случае

обе этих функции возлагаются на инвертор.

Важным узлом преобразователей с промежуточным звеном постоянно-

го тока является фильтр F. Этот фильтр выполняет две функции: сглаживает

пульсации выпрямленного напряжения (или тока) и служит устройством для

накопления и отдачи энергии, что необходимо для обеспечения циркуляции ре-

активной мощности между обмотками асинхронного двигателя и фильтром.

Поскольку на входе преобразователя установлен полупроводниковый выпря

митель, то циркуляция реактивной мощности между асинхронным двигателем

и сетью невозможна.

Преобразователи частоты по типу автономного инвертора, используе-

мые в электроприводах, позволяют получать выходную частоту от долей герца

до нескольких сотен Гц. Верхний предел ограничивается возможной частотой

коммутации вентилей инвертора, нижний - качеством выходного напряжения

или тока; при несинусоидальной форме тока

в обмотках двигателя при малых

частотах нарушается

равномерность

вращения ротора. При

частотно-токовом

управлении

асинхронным

двигателем

применяются

автономные инверторы

тока (см. рис.6.11).

Отличительной

особенностью этих

инверторов является наличие мощного дросселя (индуктивного фильтра L) в

цепи постоянного тока и отсутствие обратных диодов в мостовой схеме инвер-

тора. Для коммутации тиристоров используются коммутирующие конден

саторы С. Переключение тиристоров VS1 ÷ VS6 производится в порядке воз-

растания их номеров. Принцип коммутации состоит в следующем (см.

рис.6.11). Пусть открыты тиристоры VS1 и VS2. Ток проходит через фазы дви-

гателя «а» и «с». Конденсатор С

заряжен с положительным зарядом на верх-

ней обкладке. При подаче отпирающего импульса на тиристор VS3 он открыва-

ется, и образуется короткозамкнутый контур С

-VSl-VS3- С

, по которому

происходит перезаряд конденсатора С

. Под действием тока перезаряда тири-

стор VS1 закроется, и ток далее будет протекать через тиристор VS3, фазы «в»

и «с» двигателя и тиристор VS2. Полярность заряда конденсатора С

изменит-

ся на обратную. Затем открывается тиристор VS4 и ток переходит с фазы «с»

на фазу «а» (в обратном направлении) и т.д. За время периода заданной частоты

происходит 6 коммутаций тиристоров, в результате чего по обмоткам статора

двигателя будет протекать трехфазный переменный ток заданной частоты.

Величина тока контролируется регулятором тока РТ, в

соответствии с

выходным сигналом которого изменяется угол управления тиристорами и на

выходе выпрямителя UD устанавливается необходимая величина выпрямлен-

ного напряжения. Выходная частота преобразователя определяется блоком

управления вентилями инвертора БУИ в соответствии с заданием частоты.

Достоинствами инвертора тока являются относительная простота схе-

мы, возможность ее реализации на тиристорах, что позволяет выполнять пре-

образователи на большую мощность и высокое напряжение. В приводах с ин-

вертором тока возможен режим рекуперативного торможения. Для этого, не

изменяя направление тока в звене постоянного тока, управляемый выпрямитель

переводится в инверторный режим (угол а устанавливается больше π/2).

Недостатками инверторов тока является несинусоидальная форма тока в

обмотках статора, а также невозможность

питания от одного преобразователя

нескольких асинхронных двигателей. Из-за несинусоидальности формы тока

при f

<5Гц теряется равномерность вращения ротора, что ограничивает диапа-

зон регулирования скорости электропривода по схеме рис.6.11.

В настоящее время большинство преобразователей изготавливаются по

схеме автономного инвертора напряжения. Это связано с появлением полно-

стью управляемых силовых полупроводниковых приборов: IGB - транзисторов

и запираемых тиристоров. Типичная схема электропривода с инвертором на-

пряжения на полностью управляемых приборах дана на рис.6.12. Схемной

особенностью инвертора

напряжения является

наличие обратных диодов

VD1-VD6 и фильтрового

конденсатора С.

В отличие от

инверторов тока, для

которых характерным является

работа в каждый момент

времени по одному вентилю в

анодной и катодной

группах, в

инверторах напряжения более

целесообразна одновременная

работа двух вентилей в одной

группе и одного в другой. При

этом продолжительность

работы каждого вентиля

составляет π. Допустим, что в

некоторый момент времени

работают транзисторные ключи

VT1, VT2 и VT6. Тогда ток

протекает по всем трем фазным

обмоткам двигателя, причем 2/3

напряжения U

прикладывается

к фазе «а» и к двум

параллельно включенным фа-

зам «в» и «с» (см. рис.6.13).

При запирании ключа VT6 и

включении ключа VT3 ток в фазе «в» не может мгновенно измениться и замы-

кается через диод VD3 на конденсатор С, чем обеспечивается циркуляция реак-

тивной мощности между обмотками двигателя и конденсатором С. После

включения ключа VT4 ток будет протекать по параллельно включенным фазам

«а» и «с» и по фазе «в» и т.д.

Линейное фазное напряжение, прикладываемое к

обмоткам двигателя, будет иметь форму, показанную на рис.6.13.

Требуемая выходная частота определяется частотой переключения вен-

тилей инвертора и задается каналом регулирования частоты. Регулирование ве-

личины выходного напряжения может производиться двумя способами:

1) использованием управляемого выпрямителя на входе инвертора, с

помощью которого регулируется величина U

;

2) использованием способа широтно-импульсного регулирования, осу-

ществляемого вентилями инвертора; в этом случае входной выпрямитель мо-

жет быть неуправляемым.

Первый способ характеризуется двумя недостатками: ступенчатой фор-

мой выходного напряжения (см. рис.6.13) и низким коэффициентом мощности

преобразователя.

Более современным является второй способ. При широтно-импульсном

способе регулирования

возможно не только

регулирование средней

величины напряжения за

период, но и коррекция

формы выходного

напряжения. Такое

регулирование

называется широтно-

импульсной модуляцией (ШИМ), которая основана на принципе широтно-

импульсного регулирования (см. раздел 5.4). Принцип широтно-импульсной

модуляции синусоидального напряжения поясняется рис.6.14.

Так как для двуполярной коммутации

)12(

−=

то, регулируя непрерывно скважность по синусоидальному закону,

)1)2sin((

1*1

+⋅= tfU

πγ

можно получить среднее фазное напряжение, также из-

меняющееся по синусоиде.

Изменяя с помощью системы управления амплитуду U

и угловую час-

тоту

1*1

2 ⋅=

, можно производить регулирование частоты и величины вы-

ходного напряжения преобразователя. При использовании инверторов напря-

жения для реализации режима рекуперативного торможения асинхронного дви-

гателя необходимо на входе устанавливать реверсивный преобразователь с

двумя группами вентилей, что усложняет схему преобразователя и снижает ее

надежность. Поэтому в инверторах напряжения обычно предусматривают раз-

рядное сопротивление R (

см. рис 6.12), которое подключается в режиме тормо-

жения транзистором VT7 и в котором рассеивается энергия торможения.

Существует большое число разновидностей схем преобразователей час-

тоты с автономными инверторами тока и напряжения, которые рассматривают-

ся в литературе по преобразовательной технике.

6.5. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного

питания

Регулирование скорости асинхронного двигателя в схемах

вентильного

каскада и двигателя двойного питания производится путем изменения сколь-

жения двигателя при постоянной скорости вращения электромагнитного поля.

Статорные обмотки двигателя непосредственно подключаются к питающей се-

ти. Основная идея этих схем - полезное использование мощности скольжения,

трансформируемой в цепь ротора. С этой целью в цепь ротора асинхронного

фазного двигателя вводится добавочная

э.д.с.

Трудность полезного использования энергии скольжения состоит в том,

что э.д.с. ротора Е

и соответственно ток ротора I

имеют переменную частоту,

зависящую от скольжения (скорости) двигателя (см. раздел 3.2). В схемах вен-

тильного каскада (рис.6.15) ток ротора асинхронного двигателя с фазным ро-

тором выпрямляется посредством не-

управляемого выпрямителя UD1, и в

цепь выпрямленного тока ротора вводят

добавочную противо э.д.с. постоянного

тока - э.д.с. инвертора US2.

Трансформатор Т служит для

согласования напряжения сети

напряжения ротора двигателя.

Таким образом, энергия скольжения, индуктируемая в энергию посто-

янного тока и инвертируется в питающую сеть. Благодаря такому последова-

тельному преобразованию энергии эти системы получили название каскадов.

Энергетическая диаграмма, характеризующая преобразование энергии в кас-

кадной схеме, показана на рис.6.16.

Мощность Р

, забираемая по цепи статора двигателя из сети, за вычетом

потерь в статоре ΔР

преобразуется в мощность

вращающегося магнитного поля -

электромагнитную мощность Р

эм

. Последняя разде-

ляется на две части: механическую Р

мех

реализуемую на валу асинхронного двигателя, и

электрическую, трансформируемую в обмотки

ротора двигателя - мощность скольжения P

. Мощ-

ность скольжения, за вычетом потерь ΔР

в роторе двигателя, выпрямителе, ин-

верторе и трансформаторе инвертора, возвращается в питающую сеть - Р

рек

. Та-

ким образом, результирующая, потребляемая приводом из сети мощность Р

потр

будет равна разности Р

-Р

рек

. Это определяет высокий кпд вентильного каскада.

Мощность скольжения после выпрямления тока ротора будет

dpрнсхs

IUSЕкР )(

−

(6.16)

где S - скольжение;

рn

- номинальная (при S=1) линейная э.д.с. ротора;

- выпрямленный ток ротора;

сх

=1,35 - коэффициент мостовой схемы выпрямления;

∆U

- падение напряжения, обусловленное коммутацией вентилей

выпрямителя;

SxIк

pdpсх

=Δ

(6/17)

Здесь

Ткp

кxx = - индуктивное сопротивление рассеяния фазы асин-

хронного двигателя, приведенное к обмотке ротора. Подставляя (6.17) в (6.16),

получим

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−=

35,1

pdp

dpрнs

IESР

Момент асинхронного двигателя равен

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−==

35,1

pdp

dpрн

ωω

(6.18)

В первом приближении (при М≤М

) можно считать, что момент про-

порционален выпрямленному току ротора I

. При больших значениях момента

эта пропорциональность нарушается.

Величина выпрямленного тока ротора определяется разностью вы-

прямленной э.д.с. ротора E

, э.д.с. инвертора

и сопротивлением цепи R

экв

(см. рис.6. 17).

экв

djdp

−

= (6.19)

экв

Tpн

USE

cos35,135,1

−

= (6.20)

где: U

2Т

- линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора;

β - угол управления вентилей инвертора

−

; (а≥π/2);

ππ

Tdэкв

rrrR

++++=

Здесь r

, r

и r

2Т

- активное сопротивление соответственно: обмотки ро-

тора; сглаживающего дросселя и вторичной обмотки трансформатора;

Sх

- эквивалентные сопротивления, вызванные коммутацией

вентилей выпрямителя и инвертора;

- сопротивление фазы трансформатора, приведенное ко вторичной

обмотке.

Регулируя величину угла управления вентилей инвертора β, можно ре-

гулировать величину тока ротора I

и, следовательно, момента асинхронного

двигателя.

Если

cos

2Tрн

USЕ

, то ток ротора и момент будут равны нулю. Сколь-

жение S

, соответствующее этому условию, будет скольжением холостого хода

двигателя в схеме вентильного каскада

βεβ

coscos

⋅==

рн

(6.21)

Таким образом, изменяя угол управления β, можно регулировать ско-

рость холостого хода двигателя.

Максимальная величина скольжения холостого хода определяется мак-

симальным значением противоэ.д.с. инвертора, которая будет при β = β

мин

≈

15°.

минминмин

рн

макс

ββεβ

coscoscos

=⋅== (6.22)

Преобразовав уравнение (6.20) с учетом (6.21), получим:

)(

35,1

экв

рн

−= (6.23)

Решая совместно уравнения (6.18) и (6.23), получим выражение для ме-

ханических характеристик вентильного каскада

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

ρρπω

рн

(6.24)