Преобразователи частоты, применяемые в электроприводе

Возможность частотного регулирования скорости машин переменного тока очевидна из их математического описания. Основным его достоинством является то, что наряду со скоростью осуществляется регулирование и потребляемой из сети энергии, то есть, по сравнению с параметрическими способами регулирования скорости, потери здесь минимальны. Поэтому уже в 40-50-х годах начали предприниматься попытки создания преобразователей частоты. Первые преобразователи частоты были электромашинными с синхронными генераторами или асинхронными двигателями. Схема такого преобразователя с синхронным генератором Gс приведена на рис.2.46.

Рис.2.46. Схема электромашинного преобразователя частоты

Здесь асинхронный двигатель М1 приводит во вращение с постоянной скоростью генератор G, от которого получает питание двигатель М2.

При регулировании магнитного потока генератора G изменяется напряжение питания, а значит скорость двигателя М2, который расположен на одном валу с синхронным генератором Gс. В результате изменения скорости Gс изменяется частота ЭДС на обмотке его статора. Эта ЭДС с регулируемой частотой является напряжением питания основного рабочего электродвигателя М.

Из рисунка видно, что кроме основного рабочего электродвигателя в систему входят еще четыре дополнительные машины, что приводит к снижению КПД всей системы и значительному увеличению ее габаритов. Поэтому, из-за отсутствия простых и компактных преобразователей, частотное регулирование скорости не получило широкого распространения.

Ситуация изменилась с появлением и началом серийного выпуска статических полупроводниковых преобразователей частоты, применение которых в регулируемых приводах, помимо напосредственного изменения скорости электродвигателя, позволяет обеспечить огромную экономию электроэнергии за счет изменения в процессе регулирования мощности, потребляемой из сети.

Статические преобразователи частоты имеют функциональную схему, приведенную на рис.2.47, и состоят из выпрямителя В, инвертора И и блока управления БУ.

Рис.2.47. Функциональная схема ПЧ

Выпрямитель является управляемым или неуправляемым преобразователем постоянного тока (работа которого рассмотрена выше) и получает питание от сети с постоянными номинальными значениями величины и частоты напряжения. На его выходе имеется постоянное регулируемое или нерегулируемое напряжение, которое поступает на инвертор, состоящий из быстродействующих ключей, работающих в триггерном режиме.

В БУ формируются импульсы, подаваемые на управляющие электроды вентилей выпрямителя и инвертора, и задается закон соотношения частоты и величины выходного напряжения.

Как указывалось выше, в инверторе должны использоваться элементы, работающие как быстродействующие ключи. Традиционные тиристоры, будучи устройствами полууправляемыми, не могут качественно выполнять

эти функции без дополнительных элементов в электрической схеме. Поэтому на первом этапе были разработаны и стали применяться запираемые тиристоры (GTO). Основным достоинством тиристоров типа GTO является малое падение напряжения в проводящем направлении. Однако здесь неоднородная коммутация требует большого числа дополнительных цепей для запирания тиристора. Поэтому в инверторах ПЧ стали применяться биполярные силовые транзисторы с изолированным затвором и шунтирующим диодом (IGBT). Эти транзисторы являются быстродействующими приборами, но имеют большое падение напряжения в проводящем направлении, а значит и большие потери. Для их уменьшения требуются сложные соединения транзисторов, что ведет к уменьшению надежности и увеличению стоимости и габаритов преобразователей.

Поэтому следующим этапом стало создание фирмой АВВ Indusry на базе технологии IGBT запираемого тиристора со встроенным блоком коммутации, который обладает высоким быстродействием при коммутации, подобно транзистору IGBT, и малыми проводящими потерями, подобно тиристору. Этот силовой прибор получил название Integrated Gate Commutated Thyristor (IGCT). Все компоненты IGCT размещаются в одном модуле, что снижает его стоимость.

В табл.2.1 приведены наименования и условные обозначения перечисленных выше элементов, используемых в качестве ключей в инверторах ПЧ.

Таблица 2.1.