Електропривод по системі перетворювач частоти типу автономний інвертор - асинхронний двигун

У цій системі використовуються перетворювачі частоти с проміжною ланкою постійного струму.

Рис. 3.18. Блок схема ПЧ з проміжною ланкою постійного струму.

Напруга промислової мережі спочатку випрямляється регулюємим або не регулюємим випрямлячем UD, потім подається на автономний інвертор UF, якій перетворює постійну напругу(чи струм) в напругу (чи струм) регульованої частоти і величини.

Регулювання величини напруги (чи струму) проміжної ланки постійного струму може вироблятися керованим випрямлячем UD, або (у інверторах напруги)у якості першої ланки використовується некерований випрямляч, регулювання напруги здійснюється інвертором методом ШІР (широто імпульсного регулювання). У першому випадку функції управління чітко розподілені: випрямляч управляє величиною струму або напруги, а інвертор – величиною вихідний частоти перетворювача. У другому випадку обидві ці функції покладаються на інвертор.

Важливим вузлом перетворювачів з проміжною ланкою постійного струму є фільтр F. Цей фільтр виконує дві функції: згладжує пульсації випрямленої напруги (чи струму) і служить пристроєм для накопичення і віддачі енергії, що необхідно для забезпечення циркуляції реактивної потужності між обмотками асинхронного двигуна і фільтром. Оскільки на вході перетворювача встановлений напівпровідниковий випрямляч, то циркуляція реактивної потужності між асинхронним двигуном і мережею неможлива.

Перетворювачі частоти за типом автономного інвертора, використовуються в електроприводах, дозволяють отримувати вихідну частоту від декількох Герца до декількох сотень Гц. Верхня межа обмежується можливою частотою комутації вентилів інвертора, нижня - якістю вихідної напруги або струму; при несинусоїдальній формі струму в обмотках двигуна при малих частотах порушується рівномірність обертання ротора він переходить у режим "крокування".

Рис. 3.19 Схема частотного електроприводу з автономним інвертором струму

При частотно-струмовому управлінні асинхронним двигуном застосовуються автономні інвертори струму (рис.3.19). Відмітною особливістю цих інверторів є наявність потужного дроселя (індуктивного фільтру L в колах постійного струму і відсутність зворотних діодів в мостовій схемі інвертора. Для комутації тиристорів використовуються комутуючі конденсатори С₁…С₃. Принцип комутації полягає в наступному.

Нехай відкриті тиристори VS1 і VS2. Струм проходить через фази двигуна "а" і "с". Конденсатор С₁ заряджений з позитивним зарядом на верхній обкладинці. При подачі відмикаючого імпульсу на тиристор VS3 він відкривається, і утворюється короткозамкнутий контур C₁- VS1- VS3- C₁, по якому відбувається перезаряд конденсатора С₁. Під дією струму перезаряду тиристор VS1 закриється і струм далі протікатиме через тиристор VS3, фази "b" і "с" двигуна і тиристор VS2. Полярність заряду конденсатора С₁ зміниться на зворотну. Потім відкривається тиристор VS4 і струм переходить з фази "с" на фазу "а" (у зворотному напрямку) і так далі. За час періоду заданої частоти відбувається 6 комутацій тиристорів, внаслідок чого по обмотках статору двигуна протікатиме трифазний змінний струм прямокутної форми заданої частоти.

Величина струму контролюється регулятором струму РС, відповідно до вихідного сигналу якого змінюється кут управління тиристорами і на виході випрямляча UD встановлюється необхідна величина випрямленої напруги. Вихідна частота перетворювача визначається блоком управління вентилями інвертора БУІ відповідно до завдання частоти.

Перевагами інвертора струму є відносна простота схеми, можливість її реалізації на тиристорах, що дозволяє виконувати перетворювачі на велику потужність і високу напругу. У приводах з інвертором струму можливий режим рекуперативного гальмування. Для цього, не змінюючи напрям струму в колі постійного струму, керований випрямляч переводиться в інверторний режим (кут а встановлюється більше .

Недоліками інверторів струму є несинусоїдальна форма струму в обмотках статора, а також неможливість живлення від одного перетворювача декількох асинхронних двигунів.

Нині більшість перетворювачів виготовляються за схемою автономного інвертора напруги. Це пов'язано з появою повністю керованих силових напівпровідникових приладів: IGBT транзисторів. Типова схема електроприводу з інвертором напруги на повністю керованих приладах дана на (рис 10.20). Схемною особливістю інвертора напруги є наявність зворотних діодів VD1..VD6 та фільтрового конденсатора С.

Рис. 3.20 Схема частотного електроприводу з транзисторним інвертором напруги

На відміну від інверторів струму, для яких характерною є робота в кожен момент часу по одному вентилю в анодній і катодній групах, в інверторах напруги доцільніша одночасна праця двох вентилів в одній групі і одного в іншій. При цьому тривалість роботи кожного вентиля складає . Допустимо, що в деякий момент часу працюють транзистори VT1, VT2 і VT6. Тоді струм протікає по усіх трьом фазних обмоткам двигуна, причому половина напруги U_d прикладається до фази "а" і до двох паралельно включених фаз "в" і "с". При замиканні транзистора VT2 і включенні транзистора VT5 струм у фазі "в" не може миттєво змінитися і замикається через діоди VDЗ і VD4 на конденсатор C, чим забезпечується циркуляція реактивної потужності між обмотками двигуна і конденсатором С. Після включення транзистора VT6 струм протікатиме по паралельно включених фазах "а" і "с" і по фазі "в" і так далі.

Необхідна вихідна частота визначається частотою перемикання вентилів інвертора і задається каналом регулювання частоти. Регулювання величини вихідної напруги може здійснюватися двома способами:

- використанням керованого випрямляча на вході перетворювача, за допомогою якого регулюється величина U_d,

- використанням способу широто імпульсного регулювання, яке здійснюється вентилями інвертора; в цьому випадку вхідний випрямляч може бути прийнятий некерованим.

Перший спосіб характеризується двома недоліками: ступінчастою формою вихідної напруги й низьким коефіцієнтом потужності перетворювача.

Сучаснішим є другий спосіб. При широто імпульсному способу регулювання можливо не лише регулювання середньої величини напруги за період, але і коригування форми вихідної напруги. Таке регулювання називається широто імпульсної модуляцією (ШІМ). Принцип широтно - імпульсної модуляції синусоїдальної напруги пояснюється (рис 10.21).

Рис. 3.21 Принцип широтно - імпульсної модуляції синусоїдальної напруги

Оскільки для двухполярної комутації , то, регулюючи безперервно скважність за синусоїдальним законом, можна отримати середню напругу, що також змінюється по синусоїді.

Змінюючи за допомогою системи управління амплітуду і кутову частоту, можна здійснювати регулювання частоти і величини вихідної напруги перетворювача.

При використанні інверторів напруги для реалізації режиму рекуперативного гальмування асинхронного двигуна потрібне застосування на вході реверсивного перетворювача з двома групами вентилів, що ускладнює схему перетворювача і знижує її надійність. Тому в інверторах напруги зазвичай передбачають розрядний опір R.

Контрольні запитання

1. Структурна схема перетворювача частоти з ланкою постійного струму

2. Схема однофазного автономного інвертору струму

3. Пояснить діаграми роботи ПЧ з тиристорним КВ і тиристорним АІС (Рис. 3.22)

4. Механічні характеристики АЕП з ПЧ

5. Діаграма пуску та гальмування АЕП з ПЧ

6. Принцип роботи інвертора напруги

7. Структурна схема перетворювача частоти

8. Робота схеми частотного електроприводу з транзисторним інвертором напруги (Рис. 3.23)

9. Пояснить принцип широтно - імпульсної модуляції синусоїдальної напруги (рис 10.21)