Условные обозначения элементов в инверторах ПЧ
 |
В настоящее время применяются преобразователи частоты трех типов [5]:
- с непосредственной связью (НПЧ);
- с промежуточным звеном постоянного тока с автономным инвертором напряжения (ПЧИН);
- с промежуточным звеном постоянного тока с автономным инвертором тока (ПЧИТ).
Преобразователь частоты с непосредственной связью. Здесь преобразователь выполняет функции и выпрямителя, и инвертора. При питании трехфазного двигателя НПЧ содержит три реверсивных преобразователя постоянного тока (рис.2.48), которые управляются модулирующим напряжением. Частота и амплитуда этого напряжения определяют частоту fв и величину напряжения Uв на выходе преобразователя.
Рис.2.48. Принципиальная схема НПЧ
К достоинствам схемы рис.2.48 относятся: во-первых, естественная коммутация тока сетевым переменным напряжением, за счет чего здесь могут использоваться традиционные полууправляемые тиристоры, и во-вторых реверсивность схемы. Основным недостатком такого ПЧ является то, что при частоте напряжения сети 50 Гц максимальная частота его выходного напряжения составляет 16 Гц, а при дальнейшем ее увеличении происходит ухудшение формы выходного напряжения. Если вместо нулевой схемы выпрямления применить мостовую, то максимальная частота увеличится до 25 Гц.
Преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока с автономным инвертором напряжения (рис.2.51).
Рис.2.51.Принципиальная схема ПЧИН
ПЧИН состоит из нерегулируемого выпрямителя и автономного инвертора напряжения.Автономный инвертор напряжения (АИН) – это инвертор, форма напряжения на выходе которого определяется только порядком переключения вентилей инвертора, а форма тока зависит от характера нагрузки. Для обеспечения возможности обмена реактивной энергией между нагрузкой и источником постоянного напряжения и замыкания высших гармонических составляющих параллельно входу АИН устанавливается конденсатор (С1, С2) большой емкости.
Принципиально в АИН могут быть использованы и тиристоры, и транзисторы. Однако в последние годы применяется, как правило, второй вариант, поэтому особенности АИН на тиристорах в данном случае не рассматриваются.
В данном случае показан инвертор напряжения, собраный на IGBT транзисторах, шунтированных обратными диодами, что позволяет току в нагрузке протекать со сдвигом фаз по отношению к напряжению, и преобразует постоянное напряжение с выхода выпрямителя в переменное, модулированное по синусоидальному закону. Так как здесь знаки напряжения и тока выпрямителя не могут быть изменены, то такой преобразователь частоты, с точки зрения преобразования мощности, принципиально является нереверсивным.
В АИН осуществляется одновременная работа двух транзисторов в одной группе (анодной или катодной) и одного – в другой группе. При этом продолжительность работы каждого транзистора составляет π. Пусть в какой-то момент времени работают транзисторы VТ1, VТ2, VТ6. Тогда ток протекает по всем трем фазным обмоткам двигателя, причем половина выпрямленного напряжения Ud прикладывается к фазе А и к двум параллельно включенным фазам В и С. При запирании VТ2 и включении VТ5 ток в фазе В не может мгновенно измениться и замыкается через диоды VD3 и VD4 через конденсатор, чем обеспечивается циркуляция реактивной мощности между обмотками АД и конденсаторами С1 и С2. После включения транзистора VТ6 ток будет протекать по параллельно включенным фазам А и С и по фазе В и так далее. Кривые линейного и фазного напряжений приведены на рис.2.52. Ток при этом имеет форму, показанную на рис.2.53.
Выходная частота определяется частотой переключения вентилей инвертора.
Регулирование величины выходного напряжения в современных АИН осуществляется путем использования способа широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
При этом возможно не только регулирование средней величины напряжения, но и корректировка его формы, как это показано на рис.2.53.
Регулируя скважность управляющих импульсов по синусоидальному закону, можно получить среднее напряжение Un также изменяющееся по синусоидальному закону.
Характерные свойства АИН:
- широкий диапазон выходной частоты – от 0 до 1000 Гц;
- в современных АИН и величина, и частота выходного напряжения определяются инвертором, что, с одной стороны, позволяет упростить выпрямитель (применить неуправляемый), а с другой стороны, усложняет схему импульсного управления инвертором;
- однозначная зависимость выходного напряжения от входного и независимость его от изменения нагрузки и коэффициента мощности, что позволяет АИН работать в разомкнутых системах электропривода;
- форма тока на нагрузке близка к синусоиде;
- напряжение прямоугольное (при использовании широтно-импульсной модуляции форма кривой напряжения может быть приближена к синусоидальной);
- так как выпрямитель является неуправляемым невелико его отрицательное влияние на сеть;
- при работе на активно-индуктивную нагрузку (АД) АИН приближается по своим свойствам к идеальному, то есть отсутствуют броски тока при изменении полярности напряжения.
Рис.2.52. Кривые линейного и фазного напряжений АИН
Рис.2.53. Кривые тока и напряжения на выходе АИН при
широтно-импульсной модуляции
Недостатки АИН:
- большая масса и габариты конденсаторов фильтра.
Необходимо отметить, что все серийно выпускаемые в настоящее время ПЧ с инвертором напряжения не позволяют осуществлять рекуперацию энергии в сеть, так как в стандартном исполнении имеют нереверсивный выпрямитель. В качестве аварийного здесь предусмотрено динамическое торможение, предназначенное для быстрого торможения, выполняемого нечасто.
Преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока с автономным инвертором тока (рис.2.54).
Здесь выпрямитель является управляемым, построенным на тиристорах. Автономный инвертор тока (АИТ) – это инвертор, форма тока на выходе которого определяется только порядком переключения вентилей инвертора, а форма напряжения зависит от характера нагрузки. Питание АИТ должно производиться от источника тока. Перевод выпрямителя в режим регулируемого источника тока достигается путем включения сглаживающего реактора LR значительной индуктивности.
Автономный инвертор тока может быть выполнен на ключах любого типа. На схеме рис.2.54 показаны запираемые тиристоры GTО. Здесь отсутствуют шунтирующие обратные диоды и поэтому возможно изменение полярности напряжения на входе инвертора, то есть при неизменном направлении выпрямленного тока возможен перевод двигателя в рекуперативный режим.
Рис.2.54. Принципиальная схема ПЧИТ
При потреблении энергии из сети выпрямитель работает в режиме выпрямления, инвертор – в режиме инвертирования, электрическая машина – в двигательном режиме в первом или третьем квадрантах осей (w,М) при полярности выпрямленного напряжения, указанном на рисунке.
При переходе двигателя в область рекуперации (второй или четвертый квадранты) инвертор работает управляемым выпрямителем; полярность выпрямленного напряжения изменяется на противоположную, направление тока в этом контуре остается неизменным, а выпрямитель работает в инверторном режиме.
Коммутация осуществляется следующим образом: пусть открыты тиристоры VS1 и VS2. Ток проходит через фазы А и С. При подаче управляющего импульса на VS3 он открывается, вентиль VS1 запирается (причины его запирания здесь не рассматриваются, так как это зависит от типа применяемых ключей) и далее ток протекает через VS3, фазы В и С и тиристор VS2. Затем отпирается VS4 и ток протекает по фазе А и т.д. За время периода заданной частоты происходит 6 коммутаций тиристоров, в результате чего по обмоткам статора АД будет протекать трехфазный переменный ток прямоугольной формы заданной частоты.
В отличие от АИН здесь в каждый момент времени работают по одному вентилю в каждой (анодной и катодной) группах.
Кривая изменения тока фазы А приведена на рис.2.55.
Рис.2.55. Кривая изменения тока одной фазы АИТ
Величина выходного напряжения определяется величиной выпрямленного напряжения, то есть величиной регулируемого напряжения управляемого выпрямителя, а частота – частотой переключения вентилей инвертора. Следовательно, в АИТ преимущественно применяется частотно-импульсная модуляция.
Характерные свойства АИТ:
- простота схемы, возможность ее реализации на тиристорах различного типа;
- возможность режима рекуперации энергии; для чего при том же направлении тока в звене постоянного тока управляемый выпрямитель переводится в инверторный режим (угол зажигания устанавливается больше π/2);
- напряжение на нагрузке при постоянном выпрямленном напряжении не сохраняется постоянным, а изменяется приблизительно обратно пропорционально коэффициенту мощности нагрузки. При питании от АИТ АД изменение момента на ее валу приводит к существенному изменению напряжения. Поэтому ПЧ с АИТ следует применять исключительно в замкнутых системах электропривода, со стабилизацией напряжения на АД или с изменением его по определенному закону;
- при скачках тока на выходе АИТ (при смене его полярности на нагрузке) неизбежно возникновение больших перенапряжений (теоретически бесконечно больших). Поэтому при работе АИТ на АД необходимо ограничивать коммутационные перенапряжения путем ограничения скорости изменения тока при смене его полярности, то есть принимать специальные меры для гашения или отдачи в питающую сеть реактивной энергии. АИТ близок к идеальному при работе на чисто емкостную нагрузку или на нагрузку с опережающим коэффициентом мощности;
- форма напряжения на нагрузке близка к синусоиде;
- при частоте напряжения питающей сети 50 Гц максимальная частота не превышает 100-150 Гц, что обусловлено использованием в АИТ «медленных» вентилей, например, тиристоров GTO.
Недостатки АИТ:
- несинусоидальная форма тока в обмотках статора;
- так как выпрямитель является управляемым, то его отрицательное влияние на сеть большее, чем у ПЧ с инверторами напряжения.
Для наглядности и систематизации приведенного выше материала основные показатели работы АИН и АИТ сводятся в табл.2.2.
Таблица 2.2.
Основные показатели работы АИН и АИТ
| Показатель | Автономный инвертор напряжения | Автономный инвертор тока |
| Направление преобразования энергии | Нереверсивный (в серийном исполнении) | Реверсивный (всегда) |
| Диапазон регулирования частоты выходного напряжения | 0 – 1000 Гц | 0 – 100 Гц |
| Форма кривой напряжения | Синусоидальная (при соответствующей ШИМ) | Синусоидальная |
| Форма кривой тока | Синусоидальная | Прямоугольная |
| Оптимальный тип нагрузки | Активно-индуктивная | Емкостная |
| Влияние на питающую сеть | Меньшее (выпрямитель неуправляемый) | Большее (выпрямитель управляемый) |
| Наличие бросков тока при коммутации ключей | Нет | Есть (большой величины) |
| Наличие коммутационных перенапряжений | Нет | Есть |
| Зависимость величины выходного напряжения от нагрузки на валу электродвигателя | Не зависит | Существенно зависит |
| Тип применяемых ключей | Быстродействующие | Медленные |
Практически все фирмы – изготовители ПЧ, и зарубежные, и отечественные, гарантируют КПД выпускаемых преобразователей не ниже 0,94 и коэффициент мощности – не ниже 0,95 в рабочем диапазоне скоростей.
Выбор конкретного типа ПЧ определяется требованиями, предъявляемыми к системе технологическими условиями. С этой точки зрения все частотно-регулируемые электроприводы можно объединить в две большие группы.
1. Регулируемые электроприводы, работающие в режиме поддержания технологического параметра, установка которого изменяется схемно или программно;
2. Электроприводы, режимы которых изменяются в зависимости от нескольких критериев.
Наиболее часто применяются электроприводы первой группы, к которым относятся приводы вентиляторов, насосов, конвейеров и некоторых других общепромышленных механизмов, работающих в продолжительном режиме. В таких электроприводах целесообразно применять простейшие ПЧ, не имеющие схемной и программной избыточности, а значит, требующих минимальных затрат на приобретение и эксплуатацию.
Ко второй группе электроприводов относится технологическое и станочное оборудование, работающее в повторно-кратковременном режиме. Для этой группы приводов предназначены ПЧ, имеющие дисплейные пункты и развитое программное обеспечение.
Необходимо отметить, что если 10-15 лет назад в семействе регулируемых приводов ведущее положение было занято электроприводом постоянного тока, то к настоящему времени за счет применения статических ПЧ доля его не превышает 15 %.
В связи многочисленностью преобразователей частоты, выпускаемых зарубежными и отечественными фирмами, остаточно сложно осуществить их подробный обзор.
На отечественном рынке заняли прочное положение ряд зарубежных фирм.
Концерн ROCKWEL предлагает ПЧ мощностью от 300 до 7500 кВт серии 1557, выполненные по схеме с инвертором тока на GTO- тиристорах.
Фирма SIEMENS поставляет комплектные электроприводы с асинхронными и синхронными машинами, предназначенные для работы в нефте- и газодобывающей промышленности, при транспортировке нефти и газа, в химической промышленности. Преобразователи этой фирмы выполнены, в основном, с инверторами напряжения на IGBT –модулях. Диапазон мощностей – от 11 до 5000 кВт.
Фирма предлагает ПЧ четырех серий 2 до 300 кВт, различающихся выходной мощностью и объемом программного обеспечения.
Среди отечественных производителей ведущими являются следующие:
- ОАО «Электровыпрямитель» (г.Саранск) освоил производство высоковольтных бестрансформаторных преобразователей частоты ПЧ-ТТП-ВН для плавного пуска и регулирования частоты вращения синхронных электродвигателей на напряжения 6, 10, 15, 75 кВ мощностью от 1000 до 21500 кВт. Данная разработка является импортозамещающей и заменяет преобразователи серии ПЧВС (завод «ХЭМЗ», Украина), так как в ней используются отечественные тиристоры и комплектующие;
- консорциум «Энергосбережение», выпускающий преобразователи серии РЭН мощностью от 1 до 300 кВт, выполненные с инвертором тока на IGBT- транзисторах;
- ПКФ «Веспер», выпускающий преобразователи серий EI мощностью до 300 кВт с различными типами систем управления;
- ООО « АББ Реле - Чебоксары» использует разработки фирмы АВВ и выпускает преобразователи АСS мощностью от 300 до 5000 кВт, выполненные с инвертором тока на базе IGBT- транзисторов и IGCT- тиристоров. Необходимо отметить, что в настоящее время большинство серийно выпускаемых ПЧ включают в себя устройства, позволяющие поддерживать коэффициент мощности системы в пределах 0,94 – 0,96.