Преобразователи в электроприводах переменного тока

Как отмечалось, практически единственным рациональным способом регулирования скорости асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором и синхронных двигателей является изменение частоты питающего напряжения.

Большинство современных ПЧ от долей киловатта до сотен киловатт построены одинаково (рис. 4.15): сеть переменного тока — неуправляемый выпрямитель В — шины постоянного тока — конденсатор фильтра — автономный инвертор напряжения И с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) — асинхронный двигатель АД, к которому приложено переменное трехфазное напряжение с регулируемой частотой = var и амплитудой = var; управление инвертором осуществляется специальным блоком управления.

Идею автономного инвертора напряжения проиллюстрируем

на простейшей однофазной схеме с четырьмя идеальными ключами и активной нагрузкой R (рис. 4.16, а).

При попарной коммутации ключей 1,2 — 3,4 — 1,2 и т.д. через время 772 (рис. 4.16, б) к резистору будет прикладываться переменное напряжение прямоугольной формы с частотой Ток при активной нагрузке будет повторять форму напряжения. Изменяя коммутационный промежуток , можно менять частоту в любых пределах.

При активно-индуктивной нагрузке размыкание ключа недопустимо без дополнительных мер, поскольку энергия, запасенная в индуктивности, при разрыве цепи вызовет большие перенапряжения и сделает устройство полностью неработоспособным. Следовательно, при размыкании ключей должны оставаться контуры, по которым продолжал бы протекать ток в прежнем направлении и запасалась бы энергия, переданная из разряжающейся индуктивности.

Конфигурация схемы, при которой выполняются указанные условия, показана на рис. 4.17, а. Штриховые диоды у ключей отражают их одностороннюю проводимость. Диоды образуют вместе с кон-

денсатором С контуры для обмена энергией. Коммутация ключей не отличается от показанной на рис. 4.16, однако ток на каждом полупериоде

меняет направление, протекая по контурам, показанным на рис. 4.17, б. Нетрудно видеть, что формы напряжения и тока существенно различны, и ток в силу индуктивного характера нагрузки отстает от напряжения.

Рассмотренные выше принципы построения и работы однофазных АЙН легко распространяются на фазные (обычно трехфазные) схемы.

Трехфазным аналогом однофазной схемы (см. рис. 4.16, а) будет схема, приведенная на рис. 4.18, а, имеющая шесть ключей Мы, как и прежде, рассматриваем идеализированный случай, полагая для упрощения, что соединенные в звезду сопротивления нагрузки — активные. Для количественных оценок примем U- 1 и

Разделим период выходного напряжения на шесть интервалов I— VI и условимся коммутировать ключи в начале каждого интервала в порядке их номеров, указанных на рис. 4.18, а. В результате получим диаграмму коммутации, показанную на рис. 4.18, 6. Здесь принята так называемая 180-градусная коммутация, т.е. каждый ключ, замкнувшись, продолжает оставаться включенным три интервала, т.е. 1/2 периода, или 180°. Включенное состояние ключей отмечено на диаграмме жирными линиями; внизу указанно, какие из ключей замкнуты на каждом интервале.

На интервале I точки связаны с «+» источника, а точка В —

с «-», т.е. интервалу I соответствует схема на рис. 4.19, а. Нетрудно видеть, что сопротивление цепи между «+» и «-» составит при принятых величинах 1/2+1=3/2, общий ток будет 1:3/2 = 2/3, тогда фазные напряжения на I интервале будут: (положительным при-

нято направление от выводов А, В, С к нулю). Если перейти к векторному представлению величин, то получим диаграмму на рис. 4.19, б: результирующий вектор, равный 1, направлен по оси фазы В.

Рассмотрим аналогично интервал II. Здесь точка А связана с «+», а точки В и С — с «-» — схема на рис. 4.20, а. Аналогичными рассуждениями получим фазные напряжения:

= - 1/3 , векторная диаграмма — на рис. 4.20, б. Результирующий вектор, по-прежнему равный 1, сместится по часовой стрелке на 60°.

Повторив подобные рассуждения для остальных интервалов, получим диаграммы фазных напряжений на рис. 4.21, а и векторную диаграмму на рис. 4.21,6.

Иногда вместо 180-градусной коммутации используют 120-градусную коммутацию, когда каждый ключ замкнут на протяжении двух интервалов. Нагрузка может быть при любой коммутации включена как в звезду, так и в треугольник. В этих вариантах будут несколько изменяться формы напряжений и их амплитуды, но принцип получения трехфазных (в общем случае — /и-фазных) напряжений останется неизменным. При активно-индуктивной нагрузке останутся в силе рассмотренные ранее в однофазном варианте необходимые добавления — диоды, которые шунтируют ключи, и конденсатор, участвующий в процессе перекачки запасаемой в индуктивностях энергии на каждом такте работы схемы.

Изложенный принцип преобразования постоянного напряжения в переменное, основанный на использовании управляемых ключей, в раз-

личных модификациях и вариантах используется в подавляющем большинстве современных ПЧ. В частности, он используется в автономных инверторах тока (АИТ), когда на входе инвертора включен реактор, индуктивность которого достаточна для поддержания тока нагрузки практически неизменным в течение полупериода выходной частоты. Таким образом, в АИТ задается мгновенное значение тока, он питается от источника тока. Напряжение — зависимая переменная. Обычно нагрузка шунтируется конденсатором в целях создания условий коммутации ключей — тиристоров — и обеспечения нормальной работы при активно-индуктивной нагрузке.

Из изложенного следует, что управляемые ключи позволяют преобразовывать постоянное напряжение в -фазное переменное напряжение нужной частоты, однако остался открытым вопрос об управлении амплитудой переменного напряжения. Принципиально есть несколько возможностей. Первая — использовать для связи с сетью управляемый выпрямитель взамен неуправляемого. Эта возможность используется обычно в АИТ и в последнее время в некоторых для обеспечения

рекуперации энергии в сеть и снижения вредного влияния инвертора на сеть. Вторая возможность — варьирование длительности импульса внутри каждого полупериода. Третья, повсеместно используемая в современных ПЧ на основе — широтно-импулъсная модуляция (ШИМ).

Идею построения с ШИМ проиллюстрируем на простейшей

идеализированной однофазной схеме с чисто активной нагрузкой (см. рис. 4.16, а).

Для изменения амплитуды и формы напряжения на нагрузке раздробим каждый период Т на п равных частей (интервалов) с продолжительностью каждого и будем коммутировать ключи /, 2 на каждом интервале положительного полупериода, а ключи 3,4 — на каждом интервале отрицательного полупериода, как показано на рис. 4.22, а. Тогда на каждом интервале к нагрузке будет прикладываться не полное напряжение а лишь его часть

Меняя на каждом интервале относительную ширину импульса можно легко управлять средним за интервал напряжением т.е. формировать на каждом полупериоде любую нужную форму напряжения, как показано на рис. 4.22, б. С увеличением будет уменьшаться и ступенчатая кривая будет приближаться к заданной плавной.

Используя ШИМ, можно формировать любые нужные формы кривой тока, учитывая изменяющиеся в процессе работы параметры нагрузки. В современных хорошо сделанных преобразователях частоты ШИМ позволяет при любой требуемой выходной частоте ПЧ изменять нужным образом амплитуду напряжения, управляя магнитным потоком двигателя, и формировать при любой нагрузке на валу близкую к синусоидальной форму тока двигателя.

Полно реализовать широкие возможности ШИМ удалось лишь в последние 5 — 10 лет с появлением на рынке совершенных ключей, в частности транзисторных модулей IGBT с напряжением до 1200 В, током до 600 А и частотой коммутации до 30 кГц, а также микропроцессорных средств управления ими — встраиваемых однокристальных микропроцессорных контроллеров (МК) класса МС (Motor Control) [5]. Эти контроллеры наряду с процессорным ядром, осуществляющим обработку поступающей информации, имеют развитую периферию — дискретные входы/выходы для сигналов дискретной автоматики, модуль аналоге-

цифрового преобразователя (АЦП), преобразующий аналоговые сигналы датчиков тока, напряжения, технологических величин в цифровую форму, модуль таймера, принимающий сигнал импульсных датчиков, модуль ШИМ, управляющий силовыми ключами.

На рис. 4.23 в качестве примера показаны экспериментальные осциллограммы фазного напряжения и тока в одной из версий системы ПЧ—АД.

Наряду с рассмотренными выше ПЧ с явно выраженным звеном постоянного тока иногда используются ПЧ, в которых нет промежуточного звена постоянного тока, а питающая трехфазная сеть непосредственно связана с нагрузкой—статорными обмотками АД— через группы управляемых выпрямителей (рис. 4.24, а, б). Такие устройства называют ПЧ с непосредственной связью или циклоконверторами.

Каждая фаза двигателя (на рис. 4.24, б изображена фаза А) снабжена двумя комплектами встречно-параллельно включенных управляемых вы-

прямителей, выполненных на простейших полууправляемых ключах — тиристорах. Управление выпрямителями обеспечивает условия, при которых на каждой фазе двигателя в положительный полупериод требуемого выходного напряжения («+» на рис. 4.24, в) проводит один комплект тиристоров А1, а в отрицательный («-») — другой А2.

Из рис. 4.24, в следует, что период выходного напряжения и, следовательно, частота зависят от момента переключения комплектов тиристоров и могут изменяться в некоторых пределах. Верхняя частота ограничена, поскольку при приближении (периоду сетевого напряжения) выходное напряжение оказывается сильно искаженным; на практике часто принимают

Амплитуда выходного напряжения может изменяться за счет изменения угла включения тиристоров, как показано на рис. 4.24, в.

К преимуществам циклоконвертора следует отнести схемную простоту, реализуемость на простых, дешевых ключах, возможность двусторонней передачи мощности, малые потери в силовом канале. Однако его недостатки: низкая верхняя частота, сильное искажение как питающего, так и выходного напряжения — ограничивают пока его применение лишь отдельными специальными приводами.

Как следует из изложенного выше, ПЧ являются одновременно и регуляторами напряжения, однако эта их функция имеет вспомогательный характер.

Вместе с тем, имеется специальная группа электрических преобразователей — регуляторы напряжения, единственной функцией которых является управление средним за полпериода значением переменного напряжения.

Типичная схема трехфазного тиристорного регулятора (преобразователя) напряжения (ТРН), включаемого между сетью переменного тока и нагрузкой (АД), представлена на рис. 4.25, а.

Три пары встречно-параллельно включенных тиристоров управляются блоком управления БУ, представляющим собой любое устройство типа

СИФУ (схема импульсно-фазового управления). СИФУ подает на тиристоры открывающие импульсы в моменты, сдвинутые на изменяемый угол а относительно момента естественной коммутации, благодаря чему напряжение меняется от теоретически до О

(рис. 4.25, б). Закрывание тиристоров происходит естественно — при изменении полярности напряжения.

Регуляторы напряжения, отличающиеся предельной простотой, доступностью элементной базы (тиристоры), малыми габаритами, высокой надежностью и низкой стоимостью, давно используются в мировой практике в качестве регуляторов скорости маломощных, обычно однофазных двигателей (доли киловатт) и в качестве устройств плавного пуска трехфазных двигателей значительной (десятки — сотни киловатт) мощности. Они же могут использоваться и для управления напряжением в целях энергосбережения при но сильно меняющейся нагрузке.

Как подчеркивалось ранее, эти устройства не должны применяться для регулирования скорости сколько-нибудь мощных АД, приводящих во вращение насосы, вентиляторы и другие машины, работающие в продолжительном режиме.

Упражнения

4.9.1. На рис. 4.1, г поле вращается по часовой стрелке. Что нужно сде
лать, чтобы изменить направление вращения поля?

4.9.2. Принцип получения вращающегося поля показан выше на примере
примитивной двухфазной машины, хотя большинство реальных
машин — трехфазные. Рассмотрите получение вращающегося поля
для трехфазной машины. Как там должны быть сдвинуты витки
(обмотки) и токи?

4.9.3. Что нужно сделать, чтобы реверсировать поле в трехфазной машине?

4.9.4. В США используется частота Напишите ряд синхронных
частот вращения для американских двигателей. На что следует
обращать внимание, применяя американские двигатели в нашей
стране, наши — в США?

4.9.5. В ходе ремонта асинхронной машины проточили ротор (увеличили
зазор). Как это можно определить опытным путем?

4.9.6. После ремонта асинхронного двигателя ток холостого хода вырос
в 2 раза. Назовите возможные причины.

4.9.7. Можно ли асинхронную машину, рассчитан
ную на и использовать при

Объясните, какой случай и почему категорически недопустим.

4.9.8. Начертите векторную диаграмму, соответст
вующую схеме на рис. 4.3.

4.9.9. Определите, в какой точке (А, В или С) часто
та тока в роторе наименьшая.

4.9.10. Сравните выражение для потерь в роторной цепи (4.9) с соответ
ствующей формулой для электроприводов постоянного тока. Сде
лайте выводы.

4.9.11. Сопоставьте энергетические режимы асинхронного электроприво
да и электропривода постоянного тока.

4.9.12. Постройте естественные механическую и электромеханическую
характеристики для двигателя (см. Приложение 2).

4.9.13. Постройте приближенно характеристики динамического торможе
ния двигателя при трех значениях

4.9.14. По каталожным данным для двигателей серии А (АИР) (см. Прило
жение 2) постройте графики при различной полюсности.

4.9.15. Сопротивление фазы обмотки ротора 3 Ом (см. рисунок). Какие
дополнительные резисторы включены в фазы ротора на характери
стиках

4.9.16*. По каталожным данным проведите качественное и количественное сопоставление свойств двигателей постоянного тока, асинхронных с короткозамкнутым ротором и асинхронных с фазным ротором. Обратите внимание на характеристики, массогабаритные показатели.

4.9.17.В частотно-регулируемых электроприводах с

фирмы закладывают несколько вариантов изменения U/f. Зачем они это делают? Изобразите качественно зависимости U(f) для нагрузки для вентиляторной

нагрузки

4.9.18. Сопоставьте свойства частотно-регулируемого
асинхронного электропривода и электропривода

постоянного тока по системе ТП—Д. Сравните основные технические данные двигателей постоянного тока с высотой оси вращения 160 мм (см. Приложение 2) с аналогичными данными асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором с той же высотой оси. Сделайте выводы.

4.9.19*. Завод-изготовитель двигателей для параметрического регулирования приводит данные одного из них (см. Приложение 2). Сравните эти данные с аналогичными данными серийного двигателя (см. там же), сделайте выводы. Можно ли использовать двигатель, изготавливаемый для параметрического регулирования, для регулируемого электропривода вентилятора мощностью 7,5 кВт

при частоте вращения, примерно равной 3000 об/мин

Какой двигатель следовало бы выбрать при частотном регулировании скорости этого вентилятора? Сравните основные технические данные.

4.9.20. Регуляторы напряжения широко используются в мировой прак
тике для облегчения условий пуска мощных асинхронных двигате
лей с короткозамкнутым ротором. Объясните, за счет чего облег
чается пуск.

4.9.21. Регуляторы напряжения иногда применяются для экономии элек
троэнергии при сильной недогрузке двигателя на отдельных участ
ках цикла За счет чего экономится энергия? Проведи
те подробный анализ, использовав схему на рис. 4.3 и с учетом то
го, что и при так как

4.9.22. Изобразите принципиальную схему, упоминавшуюся в п. 3 оцен
ки показателей регулирования на с. 85.

4.9.23*. В импортном электроприводе барабана, принимающего при небольшой частоте вращения (десятки оборотов в минуту) проволоку с волочильного стана, для обеспечения характеристики была использована схема на рис. 4.10, б с двигателем мощностью 11 кВт. Оцените эффективность этого решения. Сравните с электроприводом постоянного тока по системе ИТ—Д.

4.9.24. Изобразите схему каскада с передачей мощности скольжения на
вал главного двигателя и соответствующие механические характе
ристики. Как можно осуществить пуск каскада?

4.9.25. Почему каскады целесообразны при больших мощностях и малых
диапазонах регулирования?

4.9.26. Оцените установленную мощность машин каскада на рис. 4.11, а,
приняв мощность двигателя Ml за единицу и задавшись диапазо
ном регулирования скорости.

4.9.27. Изобразите энергетические диаграммы (направление потоков
энергии), подобные рис. 4.12, б (справа), для других характеристик
машины двойного питания, показанных на рис. 4.12, б (в центре).

4.9.28. Сформулируйте принципиальные отличия синхронного двигателя
от асинхронного в конструкции и принципе действия.

4.9.29. Изобразите векторные диаграммы синхронной машины для пра
вой и левой ветвей V-образной характеристики

4.9.30*. Сопоставьте электроприводы, рассмотренные в данной главе. Выберите показатели, подчеркните положительные и отрицательные свойства каждого, укажите рациональные области применения.

4.9.31. Будет ли работоспособен инвертор на рис. 4.16, а, если вместо ре
зистора R включить цепь Объясните ответ.

4.9.32. Выше была проанализирована работа инвертора напряжения при
180-градусной коммутации и соединении нагрузки в звезду. Прове
дите анализ для 120-градусной коммутации. Сделайте то же при со
единении нагрузки в треугольник.

4.9.33. Сопоставьте результаты, полученные в задаче 4.9.32. Сравните, в
частности, амплитуды.

4.9.34*. Сравните основные свойства трех типов ПЧ — на основе инвертора напряжения, инвертора тока и с непосредственной связью. Сведите результаты сравнения в таблицу, отметьте рациональные, на ваш взгляд, применения ПЧ каждого типа, приведите примеры.

• 4.10. Резюме

Поле в двухфазном двигателе вращается с угловой скоростью

если две катушки обмотки сдвинуты в пространстве на 90° и в них протекают переменные токи, сдвинутые во времени на 90°. Принцип пространственного и временного сдвига для получения вращающегося поля сохраняется ив (в частности, в трехфазных) машинах.

Если вращать ротор с синхронной скоростью он не будет вли-

ять на работу машины и приложенное к обмотке напряжение уравновесится ЭДС самоиндукции

откуда следует, что в пренебрежении сопротивлением обмотки статора а ток намагничивания определится при заданном магнитном потоке кривой намагничивания машины и составит 40— 50 % номинального тока.

Под нагрузкой в обмотке (замкнутых стержнях) ротора наво-

дится ЭДС, возникает ток и при взаимодействии его с магнитным полем создается момент, уравновешивающий момент нагрузки при скольжении

Зависимость момента от скольжения имеет экстремум

с координатами так как при практически неизменном потоке

ЭДС и ток ротора растут с ростом скольжения s, а уменьшается,

стремясь к нулю. На рабочем участке механическая характеристика близка к линейной:

Асинхронный электропривод имеет те же энергетические режимы, что и электропривод постоянного тока; режим динамического торможения реализуется при питании обмоток статора постоянным током.

Каталожные данные для двигателей с короткозамкнутым ротором, кроме номинальных напряжений, частоты, мощности, частоты вращения, КПД и содержат кратности пускового тока и момента, а также кратности критического момента, что удобно использовать для построения естественных характеристик.

Основной недостаток двигателей с короткозамкнутым ротором — ограниченные возможности регулирования координат.

Скорость поля обычного двигателя может регулироваться только изменением частоты с соответствующим изменением напряжения. Это регулирование — двухзонное, вверх и вниз

от основной скорости, диапазон в разомкнутой

структуре , плавное, допустимая нагрузкапри регули-

ровании вниз и при регулировании вверх, способ экономичен,

однако требует относительно дорогого ПЧ.

Параметрическое регулирование исполь-

зуемое иногда ввиду более дешевого преобразователя — ТРН, практически непригодно для продолжительного режима работы даже при вентиляторной характеристике нагрузки поскольку потери, зависящие от скольжения и рассеиваемые в двигателе, резко снижают допустимую нагрузку:

•

Двигатели с фазным ротором допускают использование реостатного регулирования с теми же показателями, что и в приводах постоянного тока.

При больших мощностях и малых диапазонах регулирования используются каскадные схемы с возвратом мощности скольжения в сеть или на вал основного двигателя.

В электроприводах с синхронными двигателями используется эффект «магнитной пружины»: ротор — магнит увлекается вращающимся полем статора, отставая от него на угол 0 в двигательном режиме и опережая — в генераторном.

Возможно лишь частотное регулирование скорости. На основе синхронных двигателей с постоянными магнитами, управляемых электронными коммутаторами, построены различные варианты специальных электроприводов.

В последние годы возрос интерес к вентильно-индукторным приводам, принцип действия которых основан на притяжении электромагнитом — индуктором статора пассивного полюса ротора. Эти приводы очень просты, надежны, дешевы, однако их качественная работа возможна лишь при хорошо организованном микропроцессорном управлении.

Большинство ПЧ, ставших в последние годы неотъемлемой частью регулируемого асинхронного электропривода, выполнены на основе АИН с ШИМ. Реже используются ПЧ на основе инверторов тока и цик-локонверторы — преобразователи с непосредственной связью.

***

Не рассмотрены модели асинхронного двигателя, учитывающие быстрые процессы и пространственное распределение переменных. Эти модели активно используются при построении эффективных систем векторного управления, прямого управления моментом и т.п.

Не рассмотрены регулируемый синхронный электропривод и его многочисленные модификации. Не приведен анализ процессов и характеристик вентиль-но-индукторного электропривода.