Частотные преобразователи (автономные инверторы тока, напряжения)

Преобразователь частоты является важнейшим звеном элек­тропривода переменного тока. Он во многом определяет мощность, экономичность и диапазон регулирования частоты вращения двига­телей переменного тока. Тип преобразователя определяет структуру системы управления. Различные типы преобразователей частоты, нашедшие применение в области частотного регулирования, подраз­деляются на две группы, отличающиеся по используемым техниче­ским средствам и структуре. Первую группу составляют вращающиеся преобразователи, выполненные в виде специальных электри­ческих машин или их каскадов, вторую группу составляют статические преобразователи частоты, выполненные на базе полу­проводниковых элементов. Последние подразделяют на непосредст­венные преобразователи частоты и преобразователи частоты со зве­ном постоянного тока (автономные инверторы).

Автономные управляемые инверторы представляют собой преобразователи частоты, в которых осуществляется преобразование синусоидального напряжения сети в постоянное напряжение, а затем преобразование постоянного напряжения в переменное напряжение изменяемой частоты. Преобразователь частоты выполняет одновре­менно две функции: энергетическую - питания двигателя и управ­ляющую - регулирования частоты вращения. Создание бесконтакт­ных электроприводов на базе электродвигателей переменного тока (асинхронных, синхронных, синхронно-реактивных) связано с выбо­ром инвертора, который преобразует постоянный ток в переменный необходимой формы и фазности, позволяет управлять значениями среднего напряжения и частоты, в соответствии с законом, необхо­димым для создания вращающего момента электродвигателя.

Существующие инверторы могут быть разделены на два типа:

- инверторы, в которых улучшение гармонического спектра достигается широтно-импульсной модуляцией;

- инверторы, в которых эта задача решается формированием многоступенчатых кривых выходного напряжения амплитуд­но-импульсной модуляцией.

Поскольку при амплитудно-импульсной модуляции необхо­дима установка выходных трансформаторов, этот подкласс инверто­ров уступает инверторам с ШИМ по массогабаритным и энергетиче­ским показателям.

В частотно управляемом электроприводе применяют различ­ные инверторы, отличающиеся видами коммутации тиристоров, схемами их соединения, способами регулирования выходного на­пряжения. В зависимости от способа коммутации тока тиристоров инверторы делятся на ведомые сетью и автономные (с искусствен­ной коммутацией). В инверторах ведомых сетью коммутация тока с тиристора на тиристор обеспечивается напряжением переменного тока источника питания. В автономных инверторах для коммутации тока используются дополнительные тиристоры, диоды, конденсато­ры и катушки индуктивности.

Достоинством автономных инверторов является возможность получения напряжения любой требуемой частоты , а недостатком - двухкратное преобразование энергии, что снижает КПД и увеличи­вает массогабаритные показатели. Автономные инверторы могут выполняться как с понижающими трансформаторами так и без трансформаторов, что часто имеет место в приводах подач и главно­го движения станков с ЧПУ.

Автономные инверторы делятся на инверторы напряжения (АИН) и инверторы тока (АИТ). Во-первых, между звеном постоян­ного тока и инвертором включена конденсаторная батарея большой емкости, рис.6 .14,

Благодаря этому АИН имеют жесткую внешнюю характери­стику, когда при изменении тока нагрузки напряжение остается по­стоянным. Вследствие таких свойств при использовании АИН управляющими воздействиями на двигатель являются частота и ам­плитуда напряжения, АНН используется в разомкнутых электропри­водах, при управлении группой регулируемых электродвигателей. При питании от АИН активно-индуктивной нагрузки предусматри­вается обратный выпрямитель, что позволяет току в нагрузке проте­кать со сдвигом по фазе по отношению к напряжению. Выпрямлен­ное напряжение фильтруется с помощью конденсатора С_ф а затем с помощью автономного инвертора снова преобразуется в трехфазное переменное напряжение требуемой частоты. Недостаток АИН - большая масса и габариты конденсаторной батареи С_ф Конденсато­ры С_к служат для искусственной коммутации тиристоров инвертора. Для предотвращения разряда конденсаторов через нагрузку преду­смотрены отсекающие диоды V₃. Реакторы L₁ L₂ необходимы для ограничения тока разряда коммутирующих конденсаторов через обратные диоды.

АИТ содержат источник тока, то есть на выходе управляемых выпрямителей перед инвертором имеются реакторы с большой ин­дуктивностью.

Транзисторные инверторы. Более высоких частот ШИМ можно достичь в транзисторных инверторах. Транзисторные инверторы выполняют, как правило, инверторами напряжения так как транзисторы плохо воспринимают обратное напряжение. В от­личие от тиристорных инверторов в транзисторных АИН нет необ­ходимости в коммутирующих емкостях. Регулирование напряжения осуществляется широтно-импульсным способом. Диапазон частот выходного напряжения от долей герца до 200 Гц. Частота коммута­ции силовых транзисторов транзисторного инвентора равна 2-3 кГц, а для наиболее точных асинхронных электроприводов 4 кГц. Автономные инверторы напряжения и тока являются основ­ным звеном частотно регулируемых электроприводов переменного тока (асинхронного и синхронного), а также вентильного электро­привода.

Для улучшения коммутации тиристоров применены коммути­рующие емкости, значительно большего номинала по сравнению с АИН, и отсекающие диоды. При коммутации к тиристорам прило­жено напряжение коммутирующего конденсатора, а к диодам - сум­марное напряжение конденсатора и двигателя.

При использовании АИТ управляющими воздействиями на двигатели являются частота и ток обмотки статора. АИТ предпочти­тельны для индивидуальных реверсивных электроприводов, рабо­тающих в повторно- кратковременном режиме. Важным преимуще­ством АИТ является возможность рекуперации энергии в сеть при торможении электродвигателя.