Принципы и законы частотного регулирования

Непосредственное влияние на изменение угловой скорости ВМП ω₀ оказывает частота.

Рассмотрим можно ли регулировать угловую скорость электродвигателя, изменяя только частоту питающего напряжения f, не изменяя при этом его амплитуды.

Если пренебречь падением напряжения в статорной обмотке, то действующее значение напряжения статорной обмотки U₁ можно приравнять к ЭДС на зажимах статорной обмотки Е₁, которую в свою очередь можно выразить следующим образом

,

где k_ОБ – обмоточный коэффициент;

w – число витков фазы статорной обмотки;

Ф – магнитный поток двигателя;

f – частота питающего напряжения.

Предположим, что по технологическим условиям необходимо увеличить угловую скорость вращения двигателя ω. Для этого нужно увеличить частоту питающего напряжения f. Однако если при этом не изменять амплитуду напряжения U₁, это приведет к уменьшению магнитного потока Ф. При этом двигатель оказывается недогруженным, будет работать с низким КПД и, кроме того, будет потреблять из питающей сети большое количество реактивной энергии тем самым, загрязняя ее.

Предположим, что по технологическим условиям необходимо уменьшить угловую скорость вращения двигателя ω, с этой целью нужно уменьшить частоту питающего напряжения f. Если при этом не менять U₁, то это приведет к увеличению магнитного потока Ф, к соответствующему увеличению намагничивающего тока I₀ и, как следствие, к перегреву двигателя.

Таким образом, можно сделать вывод, что при изменении частоты f необходимо также изменять и действующее значение питающего напряжения. При этом закон изменения частоты и напряжения определяется видом производственного механизма, в частности для грузоподъемных и транспортных механизмов, у которых статический момент сопротивления не зависит от угловой скорости вращения, то есть М_С=const, целесообразно регулировать частоту напряжения по пропорциональному закону регулирования:

.

Для турбомеханизмов, у которых , целесообразно регулировать U и f по вентиляторному закону:

.

В общем виде любой закон регулирования должен подчиняться закону частотного регулирования Кащенко, который имеет следующий вид:

.

Рассмотрим структурную схему статического преобразователя частоты с звеном постоянного тока (рисунок 5.19).

Рисунок 5.19 – Структурная схема статического преобразователя частоты со звеном постоянного тока

На схеме показано:

1 – управляемый или неуправляемый выпрямитель;

2 – сглаживающий фильтр;

3 – инвертор;

СУ – система управления, которая включает в себя:

БУВ – блок управления выпрямителем;

БУИ – блок управления инвертором;

БЗС – блок задания скорости.

Блок 1 предназначен для преобразования синусоидального трехфазного напряжения питающей сети с частотой 50 Гц в однофазное постоянное пульсирующее напряжение, изменяющееся (управляемый выпрямитель) или неизменное (неуправляемый выпрямитель) по величине.

Сглаживающий фильтр – это низкочастотный фильтр, предназначенный для сглаживания пульсаций выходного напряжения или тока.

Инвертор предназначен для преобразования постоянного однофазного напряжения в переменное трехфазное напряжение, изменяющееся по частоте и амплитуде. Если выпрямитель управляемый, инвертор выполняет функцию регулятора только частоты, так как в этом случае амплитуду напряжения регулируют выпрямителем. В случае если выпрямитель неуправляемый, инвертор выполняет функцию регулятора и частоты, и напряжения.

Блок управления выпрямителем предназначен для подачи управляющих импульсов (и отпирающих, и запирающих) на силовые ключи выпрямителя. Если выпрямитель неуправляемый, блок управления выпрямителем отсутствует.

Блок управления инвертором предназначен для подачи управляющих импульсов на силовые ключи инвертора.

Блок задания скорости согласовывает функции БУВ и БУИ.

Остановимся на блоке 3 структурной схемы – инверторе.

Классификация инверторов:

1) По способу запирания:

· Сетно-ведомые инверторы.

В таких инверторах запирание силовых ключей происходит в момент подачи на анод отрицательной полуволны входного напряжения.

· Автономные инверторы АИ.

В таких инверторах силовые ключи запираются либо с помощью вспомогательных коммутирующих конденсаторов, либо с помощью управляющих запирающих импульсов от БУИ.

2) По форме выходного напряжения и тока:

· Автономные инверторы напряжения АИН.

У них форма выходного напряжения не зависит от характера нагрузки, а определяется только последовательностью коммутации силовых ключей, а форма выходного тока зависит от характера нагрузки.

· Автономные инверторы тока АИТ.

У них форма выходного тока не зависит от характера нагрузки, а форма выходного напряжения зависит от характера нагрузки.

3) По элементной базе:

· Инверторы на базе тиристоров.

Область применения таких элементов определяется напряжением питающей сети. Как правило, тиристорные инверторы используют в сетях напряжением 6-10 кВ. Наиболее современными тиристорами являются MOSFET и IGCT.

· Транзисторные автономные инверторы.

В качестве силовых ключей у них используются биполярные транзисторы. Наиболее современным транзистором является IGBT, область применения которого ограничивается до 6 кВ.

4) По управляемости:

· Автономные инверторы с поочередной коммутацией.

· Автономные инверторы с индивидуальной коммутацией.

5) По виду выпрямителя:

· С управляемым выпрямителем.

· С неуправляемым выпрямителем.

Различают два вида: АИ с ШИР и АИ с ШИМ.

Рассмотрим принципиальную схему (рисунок 5.20) и работу трехфазного шеститактного АИТ. В структуре преобразователя управляемый выпрямитель.

Рисунок 5.20 – принципиальная схема трехфазного шеститактного АИТ

На схеме показано:

U_d – напряжение с выхода управляемого выпрямителя;

Т₁, Т₃, Т₅, Т₄, Т₆, Т₂ – управляемые силовые ключи (тиристоры) АИТ;

L – сглаживающий токовый фильтр;

I_d – сглаживающий постоянный ток на входе инвертора:

U, f – соответственно выходное напряжение и частота инвертора.

Силовая часть принципиальной схемы АИТ состоит из шести силовых ключей, три из которых Т₁, Т₃ и Т₅ имеют общий анод и образуют анодную группу силовых ключей. Три других Т₄, Т₆, Т₂, имеющих общий катод, образуют катодную группу силовых ключей. Отпирание силовых ключей происходит в момент подачи положительного отпирающего импульса на силовой ключ. Запирание силовых ключей происходит в момент подачи отрицательного запирающего импульса.

Схема работает следующим образом:

В любой момент времени в открытом состоянии находятся два силовых ключа: один из анодной группы, второй, накрест лежащий, из катодной группы. При этом последовательность отпирания и запирания силовых ключей соответствует их порядковому номеру. При выходной частоте f=50 Гц длительность нахождения в открытом состоянии каждого силового ключа, выраженная в радианах или градусах, составляет 120°, а промежуток между двумя последующими управляющими импульсами соответствует 60°.

Иллюстрация работы временными диаграммами представлена на рисунке 5.21.

Условимся считать направление токов в фазах от инвертора к статору положительным, от статора к инвертору – отрицательным и соответственно обозначим +I_d и -I_d.

Рисунок 5.21 – Работа трехфазного шеститактного АИТ

Диаграмма 5.21, б иллюстрирует состояние силовых ключей.

На промежутке времени 0-60° открыты силовые ключи Т₁ и Т₆. Токи в фазах:

ток фазы a i_a=+I_d

ток фазы b i_b=-I_d

ток в фазе c отсутствует, т. е. i_с=0.

На промежутке времени 60-120° подается отпирающий импульс на Т₂ и запирающий на Т₆. Открыты силовые ключи Т₁ и Т₂. Токи в фазах:

ток фазы a: i_a=+I_d

ток фазы b: i_b=0

ток фазы c: i_с=-I_d.

При 120-180° подается отпирающий импульс на Т₃ и запирающий на Т₁. Открыты силовые ключи Т₂ и Т₃. Токи в фазах:

ток фазы a: i_a=0

ток фазы b: i_b=+I_d

ток фазы c: i_с=-I_d.

На промежутке времени 180-240° подается отпирающий импульс на Т₄ и запирающий на Т₂. Открыты силовые ключи Т₃ и Т₄. Токи в фазах:

ток фазы a: i_a=-I_d

ток фазы b: i_b=+I_d

ток фазы c: i_с=0.

На промежутке времени 240-300° подается отпирающий импульс на Т₅ и запирающий на Т₃. Открыты силовые ключи Т₄ и Т₅. Токи в фазах:

ток фазы a: i_a=-I_d

ток фазы b: i_b=0

ток фазы c: i_с=+I_d

На промежутке времени 300-360° подается отпирающий импульс на Т₆ и запирающий на Т₄. Открыты силовые ключи Т₅ и Т₆. Токи в фазах:

ток фазы a: i_a=0

ток фазы b: i_b=-I_d.

ток фазы c: i_с=+I_d.

Выводы:

1) Для того чтобы увеличить выходную частоту (f >50 Гц) необходимо уменьшить длительности открытого состояния силовых ключей. С этой целью отпирающие и запирающие импульсы подаются с промежутком <60°.

2) Для того чтобы уменьшить выходную частоту промежуток между управляющими импульсами должен составлять >60°.

Если к выходу автономного инвертора подключить статорную обмотку АД, то при различных выходных частотах и напряжениях инвертора семейство механических характеристик АД будет иметь вид, представленный на рисунке 5.22.

Рисунок 5.22 – Семейство механических характеристик АД при различных выходных частотах и напряжениях инвертора

Основным недостатком рассмотренного частотного преобразователя является наличие в структуре преобразователя управляемого выпрямителя, который, во-первых, влияет на фазовое соотношение между напряжением и током в питающей сети, а, во-вторых, генерирует в сеть высшие гармоники.

Второй недостаток заключается в том, что формы выходного напряжения и тока преобразователя далеки от синусоидальных, что приводит к увеличению потерь мощности в двигателе.

В определенной мере избавиться от этих недостатков позволяет использование автономных инверторов с широтно-импульсным регулятором и автономных инверторов с широтно-импульсной модуляцией.