Преобразователи частоты

Преобразователи частоты (ПЧ) используются в автоматике для управления асинхронными двигателями. Функционально ПЧ осуществляет преобразование синусоидального напряжения сети стандартной частоты в напряжение изменяемой частоты и амплитуды в зависимости от механической характеристики рабочей машины. Основным фактором, определяющим структуру преобразователя, является способ регулирования напряжения. По этому признаку все ПЧ можно разделить на два класса: непосредственные преобразователи частоты (НПЧ), двухзвенные преобразователи частоты со звеном постоянного тока.

В свою очередь, двухзвенные ПЧ делятся на две группы по способу формирования напряжения: с неуправляемым выпрямителем (НУВ), с управляемым выпрямителем (УВ).

Важнейшей частью двухзвенных преобразователей частоты является автономный инвертор (АИ) – устройство преобразования постоянного напряжения в переменное. Инверторы подразделяются на два вида:

1) автономный инвертор напряжения (АИН) – инвертор, форма напряжения на выходе которого определяется только порядком переключения вентилей инвертора, а форма тока зависит от характера нагрузки. Для АИН характерна независимость выходного напряжения от изменения нагрузки и ее коэффициента мощности.

2) автономный инвертор тока (АИТ) – инвертор, форма напряжения на выходе которого зависит от характера нагрузки. Для АИТ характерна обратимость без дополнительных средств и невозможность работы с механизмами, допускающими холостой ход.

Выбор типа ПЧ зависит от области применения и определяется на основании анализа совокупности требований, предъявляемых к электроприводу САР. Применение НПЧ ограничено верхней границей частот, не превышающей половины частоты сети. Основной недостаток – большое число вентилей и сложная система управления. Привод на основе двухзвенных преобразователей частоты является наиболее универсальным и поэтому получил наибольшее распространение. В тех случаях, когда требуется ограниченный диапазон регулиро вания скорости, применяют ПЧ, выполненные по схеме управляемый выпрямитель – автономный инвертор (рис. 4.15-а) с замкнутой или разомкнутой системой управления. Полным аналогом электропривода постоянного тока является электропривод с ПЧ, выполненным по схеме неуправляемый выпрямитель – автономный инвертор (рис. 4.15-б). На рис. 4.15 Х ₀ – управляющее воздействие, изменяющее амплитуду одного напряжения, X _f – управляющее воздействие, изменяющее частоту напряжения выхода.

Автономный инвертор в преобразователях данного типа осуществляет регулирование как амплитуды, так и частоты выходного напряжения методом широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Электропривод на базе такого ПЧ имеет ряд достоинств:

- хорошие регулировочные свойства,

- хорошая форма выходного напряжения,

- большой диапазон регулирования (D = 10000),

- высокий коэффициент мощности.

Импульсное регулирование выходного напряжения преобразователя частоты позволяет не только уменьшить массу и габариты за счет совмещения функций регулирования и инвертирования в одном устройстве, но и уменьшить потери в асинхронном двигателе, снизить пульсации электромагнитного момента, расширить диапазон регулирования скорости и обеспечить плавный ход привода вплоть до полного останова, повысить общий коэффициент полезного действия системы. Используя принцип широтно-импульсной модуляции, можно обеспечить любую форму тока в нагрузке, в том числе и синусоидальную. Принцип действия автономного инвертора с широтно-импульсной модуляцией (АИН-ШИМ) можно пояснить с помощью эквивалентной схемы, показанной на рис. 4.16. Из этого рисунка видно, что нагрузка включена в диагональ моста, образованного двумя источниками напряжения Е /2 и полупроводниковым ключом К, который переключается из положения 1 в положение 2 с высокой частотой. Эта частота f называется несущей и выбирается равной порядка 500...2000 Гц.

В общем случае напряжение на нагрузке равно:

, (4.6)

где t = D t ₁ + D t ₂ – период несущей частоты f;

D t ₁ – время нахождения ключа К в положении 1;

D t ₂ – время нахождения ключа К в положении 2.

Если при постоянной несущей частоте f менять соотношение между Dt₁ и Dt₂ по синусоидальному закону, то среднее значение напряжения на нагрузке равно

U _ср = (Е /2)·m·sin Wt, (4.7)

где W - частота модуляции несущей частоты f;

m - коэффициент глубины модуляции, лежащий в пределах от нуля до единицы.

Следовательно, меняя значения m и W, можно осуществлять независимое регулирование амплитуды и частоты тока в нагрузке при постоянной несущей частоте f и неизменным по величине питающем инвертор напряжении.

Рассматривая ТПЧ как объект системы управления, выделяют статические и динамические свойства тиристорного преобразователя частоты.

Статические свойства ТПЧ описываются передаточной характеристикой U _d(U _y) и внешней характеристикой U _d(I _d). Форма передаточной характеристики управляемого выпрямителя (УВ) определяется свойствами СИФУ. В настоящее время почти исключительно используются СИФУ развертывающего действия, их принцип работы основан на сравнении мгновенных значений напряжения управления U _упр и опорного напряжения U _оп. Форма U _оп определяет форму передаточной характеристики. Распространены СИФУ с линейно изменяющимся (пилообразным) и косинусоидальным U _оп. При линейной форме U _оп передаточная характеристика УВ имеет нелинейный вид с изменяющимся коэффициентом передачи К = var; при косинусоидальной форме U _оп передаточная характеристика линейна с постоянным коэффициентом передачи, определяемым по формуле

, (4.8)

где К _тп – коэффициент передачи тиристорного преобразователя;

, – максимальные напряжения выпрямленное и управления.

Динамические свойства ТПЧ в основном определяются динамическими свойствами управляемого выпрямителя и фильтра, которые можно представить эквивалентной схемой (рис. 4.17-а). Динамика этой силовой части описывается системой уравнений в приращениях координат относительно начальных значений:

D i _B = D i _C + D i _U,

D i _C = С _Ф ,

,

где – приращение ЭДС выпрямителя;

D i _B, D i _C, D i _U, – приращение токов в цепях выпрямителя, конденсатора С_Ф и инвертора;

L _э, R _э – эквивалентные индуктивность и сопротивление выпрямителя совместно с дросселем L₃;

Δ U _Ф – приращение напряжения питания АИН.

Приведенной системе уравнений соответствует структурная схема, изображенная на рис.4.9.

Аналогично могут быть учтены динамические свойства автономного инвертора напряжения по управляющему воздействию. Следует иметь в виду, что в области низких частот возможны значительные запаздывания в АИН при отработке управляющих воздействий, это снижает быстродействие системы по каналу регулирования частоты. В таких случаях целесообразно применять автономные инверторы с широтно-импульсной модуляцией и поскольку управляемый выпрямитель является импульсным элементом, поэтому ему присуще запаздывание. Величина запаздывания случайна и распределена в пределах t = (0... Т _с/ m), где Т _с – период сети; m – пульсность выпрямителя, t_экв.= Т _с/ 2 m. Как правило, вместо звена запаздывания рассматривают апериодическое звено первого порядка с постоянной времени, равной величине запаздывания .