Онищенко Г.Б. и др. Автоматизированный электропривод промышленных установок

Подождите немного. Документ загружается.

tame. 10.12). Пусть открыты тиристоры VS1 и VS2. Ток прохо-

J через фазы двигателя «а» и «с». Конденсатор Си заряжен с

рожиге.чьиым зарядом на верхней обкладке. При подаче отпи-

цего импульса на тиристор VS3 он открывается, и образуется

озамкнутый контур Ci3-VSl-VS3-C)5, по которому проис-

перезаряд конденсатора Си. Под действием тока перезаря-

Гтирнстор VS1 закроется и ток далее будег протекать через ти-

ртор VS3, фазы «в» и «с» двигателя и тиристор VS2. Поляр-

сть заряда конденсатора С

изменится на обратную. Затем от-

стся тиристор VS4 и ток переходит с фазы «с» на фазу «а»

(обратном направлении) и т.д. За время периода заданной час-

I происходит 6 коммутаций тиристоров, в результате чего по

гкам статора двигателя будет протекать трехфазный пере-

чыйток прямоугольной формы заданной частоты.

Г Величина тока контролируется регулятором тока РТ, в соот-

вин с выходным сигналом которого изменяется угол управ-

ляя тиристорами и на выходе выпрямителя UD уеганавливает-

(Иеобходимая величина выпрямленного напряжения. Выходная

эта преобразователя определяется блоком управления веугти-

1и инвертора БУИ в соответствии с заданием частоты.

^Рмс 10.13. Схема частотного асинхронного

опривода с транзисторным инвертором

напряжения

Достоинствами инвертора тока являются относительная про-

схемы. возможность ее реализации на тиристорах, что по-

цяет выполнять преобразователи на большую мощность и вы-

напряжение. В приводах с инвертором тока возможен ре-

Ш рекуперативного торможения. Для этого, не изменяя на-

пение тока в звене постоянного тока» управляемый выпрями-

тсль переводится в инверторный режим (угол а устанавливается

больше л/2).

Недостатками инверторов тока является несинусоидальная

форма тока в обмоткзх статора, а также невозможность питания

от одного преобразователя нескольких асинхронных двигателей

В настоящее время большинство преобразователей изготав-

ливаются по схеме автономного инвертора напряжения. Это свя-

зано с появлением полностью управляемых силовых полупро-

водниковых приборов: IGB - транзисторов и запираемых тири-

сторов. Типичная схема электропривода с инвертором напряже-

ния на полностью управляемых приборах дана на рис. 10.13.

Схемной особенностью инвертора напряжения является наличие

обратных диодов VDI-VD6 и фильтрового конденсатора С.

В отличие от инверторов тока, для которых характерным яв-

ляется работа в каждый момент времени по одному вентилю в

анодной и катодной группах, в инверторах напряжения более це-

лесообразна одновременная работа двух вентилей в одной группе

и одного в другой. При этом продолжительность работы каждого.

вентиля составляет 2гг. Допустим, что в некоторый момент вре-

мени работают-транзисторы VT1, VT2 и VT6. Тогда ток протека-

ет по всем трем фазным обмоткам двигателя, причем половина

напряжения Ц, прикладывается к фазе «а» и к двум параллельно

включенным фазам «в» и «с». При запирании транзистора VT2 и

включении транзистора VT5 гок в фазе «в» не может мгновенно

измениться и замыкается через диоды VD3 и VD4 на конденсатор

С, чем обеспечивается циркуляция реактивной мощности между

обмотками двигателя и конденсатором С. После включения тран-

зистора VT6 ток будет протекать по параллельно включенным

фазам «а» и «с» и по фазе «в» и т.д. Фазное напряжение, прикла-

дываемое к обмоткам двигателя, будет иметь форму, показанну ю

па рис 10.14

Требуемая выходная частота определяется частотой пере-

ключения вентилей инвертора и задается каналом регулирования

частоты. Регулирование величины выходного напряжения можег

производиться двумя способами:

- использованием управляемого выпрямителя на входе пре-

образователя. с помощью которого регулируется величина Uj\

использованием способа широтно-нмпульсного регулирования

(см.§6.3), осуществляемого вентилями инвертора; в лом садчас

входной выпрямитель можег быть принят неуправляемым, пер-

вый способ характеризуется двумя недостатками: ступенчатом

ой выходного напряжении (см.рис.10.14) и низким коэффи-

м мощности преобразователя

Работают хлючн:

РКС.10Л4- Дншрдммв работа ключей 1-6 и кривые лннсЯного н фазного ннир»*сннИ

Более современным является второй способ. При широтно-

импульсном способе регулирования возможно не только

регул и

рование средней величины напряжения за период, но и корректи-

ровка формы выходного напряжения. Такое регулирование назы-

вается ш иротно- и м пульс но й модуляцией (ШИМ). Принцип ши-

ротно-импульсной модуляции синусоидального напряжения по-

ясняется рис. 10.15 11-101.

фазы мотопомп ого инвертора напряжения

Гак как для двуполярной коммутации

то, регулируя непрерывно скважность по синусоидальному зако-

ну', у = -((7,»5т(2я--/,/)-И)можно получить среднее напряже-

ние, также изменяющееся по синусоиде.

Изменяя с помощью системы управления амплитуду U\t и уг-

ловую частоту a) = 2/r-f

можно производи регулирование

частоты и величины выходного напряжения преобразователя.

При использовании инверторов напряжения для реализации

режима рекуперативного торможения асинхронного двигателя

необходимо применение на входе реверсивного преобразователя

с двумя группами вентилей,

что.

усложняет схему преобразовате-

ля и снижает ее надежность Поэтому в инверторах напряжения

обычно предусматривают разрядное сопротивление R (см.

,10.13), которое подключается в режиме торможения гранзи-

>м

VT7 и в котором рассеивается энергия торможения.

Существует большое число разновидностей схем прсобразо-

1ей частоты с автономными инверторами тока и напряжения,

1ые рассматриваются в литературе по преобразовательной

[1-7].

ава II. Асинхронные вентильные каскады и двигатели

днопного питании

Принцип работы каскадных схем асинхронного приводя

(гулированис скорости асинхронного двигателя в схемах

!Ьного каскада и двигателя двойного питания производится

изменения скольжения двигателя при постоянной скорости

[ення электромагнитного поля. Основная идея - полезное

•зование мощности скольжения, трансформируемой в цепь

ia (§4.3). С этой целью в цепь ротора асинхронного фазного

!ля вводится добавочная э.д.с. Статорные обмотки двнга-

тюсредственно подключаются к питающей сети.

Схема вен-

тильного кас-

када представ-

лена на рис

11.1 Трудность

полезного ис-

пользования

энергии сколь-

жения состоит

в том, что э.д.с.

ротора Бj и со-

ответственно

ток ротора /

имеют пере-

/ю частоту, зависящую от скольжения (скорости) двигателя

[.формулы 4.8. 4.9. В схемах вентильного каскада ток ротора

срониого двигателя с фазным ротором выпрямляется по-

юм неуправляемого выпрямителя UD1. и уже в цепь вы-

лшого тока ротора вводят добавочную противоэ.д.с. по-

1НОЮ тока - э.д.с. инвертора IJD2. Трансформатор Т служит

Б согласования напряжения сети и напряжение ротора двига-

,'М

ЮТ

•еи-

-ы

UD2

СИФУ

L11.I. Приииипнапьаал схема псинхроивого еагптюого касхвдд

Таким образом, энергия скольжения, индуктируемая в об-

мотках ротора, преобразуется в энергию постоянного тока и ин-

вертируется (отдается) в питающую сеть. Благодаря такому по-

следовательному преобразованию энергии эти системы получили

название «каскадов» 'Энергетическая диаграмма, характеризую-

щая преобразование энергии в каскадной схеме, показана на

рис.1 \2.

Мощность Р\, забираемая по цепи

статора двигателя из сети, за

вычетом потерь в статоре ЛР

преобразуется в мощность вра-

щающегося магнитного поля -

электромагнитную мощность Р

гу

Последняя разделяется на две

части: механическую Р

ии

, реали-

зуемую на валу асинхронного

двигателя, и электрическую,

трансформируемую в обмотки ро-

тора двигателя - мощность сколь-

жения P

Мощность скольжения, за вычетом потерь в роторе

двигателя, выпрямителе, инверторе и трансформаторе инвертора,

возвращается в питающую сеть - Таким образом, результи-

рующая. потребляемая приводом из сети мощность P

nontp

будет

равна разности Это определяет высокий кпд вентильного

каскада.

Мощность скольжения после выпрямления тока ротора будет

P^iKjS^s-MJ,)/^ (11.1)

где: s

—

скольжение;

- номинальная (при 5=1) линейная э.д.с. ротора;

/ф - выпрямленный ток ротора;

Лс,=

1,35

- коэффициент мостовой схемы выпрямления;

AU-, - реактивное падение напряжения, обусловленное ком-

мутацией вентилей выпрямителя;

foV^ (11.2)

Здесь х

= -у - индуктивное сопротивление рассеяния

асинхронного двигателя, приведенное к обмотке ротора.

Подставляя (11.2) в (11.1), получим

Рис. 11.2.

Эиергстачссхм диаграмме

•синхронного вентатыюго каскада

Рис, 11-3. с.хемм wwcrocmu роторной цепи осипхронного ктилмюго издали

Величина выпрямленного тока ротора определяется разно-

то выпрямленной э.д.с. ротора Е^, э.д.с. инвертора Ej, и сопро-

влением цепи /?

„ (см.рис.11 За).

у -

\,35Е

рн

х- 1.35t/

cos/У

где: l/ir— линейное напряжение вторичной обмотки транс-

рматора;

р — угол регулирования вентилей инвертора

= я-а;

= 2Г

+ r

+ 2г

-V.

JT 7F

Здесь гу—активное сопротивление обмотки ротора;

гт

- активное сопротивление вторичной обмотки трансфор-

атора:

Момент асинхронного двигателя (см. формулу 4.37) равен

/ .2

В первом приближении (при MSWJ можно считать, что мо-

нт пропорционален выпрямленному току ротора Ij. Мри боль-

х значениях момента эта пропорциональность нарушается.

!«, VD R».

. 1 о

о) tu5E,.s tl.35UxiCOsP

r,i - активное сопротивление сг лаживающего дросселя /".;

3 х s

- эквивалентное сопротивление, вызванное коммуга-

иней вентилей выпрямителя.

Зд:

—- - эквивалентное сопротивление, вызванное коммугаци-

ей вентилей инвертора:

сопротивление фазы трансформатора, приведенное ко

вторичной обмотке

Регулируя величину угла управления вентилей инвертора,

можно регулировать величину тока ротора и. следовательно,

момента асинхронного двигателя.

Если E.

s = U

2Г

cosР . то ток ротора и момент будут равны

нулю. Скольжение, соответствующее этому условию, So будет

скольжением холостого хода двигателя в схеме вентильного кас-

када

=^- cos/? = * cos Д. (Ц.6)

Я*

Таким образом, изменяя угол управления

можно регулиро-

вать скорость холостого хода двигателя.

Максимальная величина скольжения холостого хода опреде-

ляется максимальным значением иротнвоэ.д.с. инвертора, кото-

рая

будет при р - р

иик

я \5°.

•V* = у-

cos

мт

• cos

UUfl

= fi • cos

мам

. (П .6)

рн

Преобразовав уравнение (11.4) с учетом (11.5). получим:

'ф<= —(П-7)

А „„

jcit

Решая совместно уравнения (11.3) и (11.7), получим выраже-

ние для механических характеристик вентильного каскада

М = ^

2 г-

ШаХ.

S - $

S -

S'f

S+р S + р

или, обозначая i—f?. -л и Л - , получим:

S + P ' Л/,

(11.8)

Л/=3,82д(л,-Л,

). (11.9)

Здесь р =

Г<

м. =

М*

Ряс ! 1.4. Мсханячесык aapaxicpMcmm всн»«рониого

двкг81егл в сх«ы« венпиьиого каскада

Механические характеристики вентильного кзекада прнве-

ены на рис. 11.4.

Механические ха-

еристики имеют

равнигельно высо-

ю жесткость (при-

ерно в 2 раза мень-

e, чем естественная

еханическая харак-

;нстнка асинхрон-

) двигателя) и

1мещаются па-

-лельно друт дру-

вдоль оси ординат

J0 мере увеличения

>тнвоэ.д.с. инвер-

;ра Ej, (но мере

меньшения угла уп-

ивления (Г) Уравнения (11.8) и (11.9) позволяют рассчитать ме-

тнческие характеристики при значениях момента до 0.72Л/,.

едствие того, что ток ротора несинусоидален, критический

омент двигателя в схеме каскада не достигается и максималь-

ный мометгг составляет Л/

|<(Ж(

.=0,83М. т е. перегрузочная способ-

юсть асинхронною двиг ателя в схеме каскада снижается на 17%.

Принцип регулирования скорости в рассматриваемой схеме

^следующий. Если установить угол управления /М>0°, то проти-

фоэ.д.с. инвертора Е

, будет равна нулю. Этому условию соответ-

ует верхняя механическая характеристика. Вели при наличии

этического момента М

на валу двигателя уменьшить угол fi

Например установить /{-60°), то увеличится противоэ.д.с. инвер-

тора Ej, и она станет больше, чем выпрямленная э.д.с. ротора Е,р.

Тогда ток ротора /уменьшится до нуля (в обратную сторону он

войти не может из-за односторонней проводимости выпрямите-

ля). Момент двигателя станет равным нулю, и под действием ста-

тического момента скорость двигателя будет уменьшаться и. сле-

довательно, возрастать скольжение. По мере роста скольжения

увеличивается э.д.с. ротора. Когда скольжение станет больше

s<>2

Г (для рассматриваемого примера), по цепи ротора пойдет ток. и

(двигатель перейдет на работу на механической характеристике,

соответствующей sq

- Скорость двигателя будет определяться

точкой пересечения линии статического момента с данной меха-

нической характеристикой. Для дальнейшего снижения скорости

нужно еще более увеличить противоэ.д.с инвертора, т.е. умень-

шить угол Д

Для увеличения скорости уменьшают противоэ.д.с инверто-

ра Е

, ток ротора возрастает, момент увеличивается, и двигатель

разгоняется По мере увеличения скорости уменьшается выпрям-

ленная э.д.с. ротора. Разгон двигателя будет происходить до rex

пор, пока в соответствии с формулой (11.7) ток не уменьшится до

значения, соответствующего статическом) моменту.

Глубина возможного регулирования скорости определяется

относительным значением напряжения трансформатора 0

2Тг

от

величины которого зависит максимальное скольжение

(см формулу 11.6), Это обстоятельство определяет целесообраз-

ность применения вентильных каскадов для привода механизмов

с вентиляторным характером нагрузки (насосов, вентиляторов и

др.), для которых не требуется, как правило, снижение скорости

ниже 50% от номинальной. Тогда трансформатор и инвертор мо-

гут иметь мощность в 2 раза меньше, чем мощность асинхронно-

го двигателя, что уменьшает стоимость электропривода.

Ориентировочно требуемая мощность трансформатора ин-

вертора определяется соотношением

т.е. составляет часть

максимальному

скольжению.

В случае регули-

рования в схеме кас-

када в неполном диа-

пазоне скорости воз-

никает задача пуска

двигателя до нижней

рабочей скорости в

схеме каскада. Обыч-

но в этом случае ис-

пользуется схема ре-

остатного пуска.

Одна из возмож-

ных схем показана на

рис.11.5. В этой схе-

0,965/7.*

мощности двигателя.

пропорциональную

Рнс.11 5. CXCM;I пуска eeirrnnuforo касыда