Тема 6. Управляемые привода на базе машин постоянного тока
.
Структура регулируемого привода с машинами постоянного тока. Способ ШИМ регулирования на базе коллекторных машин. Способы управления бесконтактными (вентильными) машинами постоянного тока.
Тема 7. Управляемые привода на базе асинхронных двигателей
7.1. Аппаратная реализация. Функцию преобразования параметров электрической энергии питающей сети к таким значениям, которые необходимы для нормальной работы приводного двигателя, а также функцию дозирования величины электрической энергии, подводимой к двигателю для регулирования его скорости и выполняет преобразовательное устройство.
В системах регулируемого электропривода находят применение все основные типы преобразовательных устройств: выпрямители, преобразующие переменное напряжение в постоянное; инверторы, осуществляющие обратное выпрямителям преобразование энергии; непосредственные преобразователи частоты; регуляторы переменного и постоянного напряжения, обеспечивающие преобразование уровня напряжения без изменения его частоты.
Эффективность применения и перспективы дальнейшего использования тех или иных преобразовательных устройств в значительной степени определяется совершенством свойств силовых полупроводниковых приборов.
Следует учитывать главную особенность силовых преобразователей электрической энергии: независимо от типа и свойств применяемых силовых полупроводниковых приборов они должны использоваться только в ключевых режимах работы, для которых свойственны два устойчивых состояния полного включения (максимальная электрическая проводимость) и полного выключения (минимальная проводимость). Исключением являются только динамические процессы, связанные с переходами из одного устойчивого состояния в другое. В состояниях ключевого режима потери активной мощности P=UI в полупроводниковых приборах малы, поскольку один из сомножителей этого произведения (ток I или напряжение U) , имеет минимально возможное значение. Это и обеспечивает высокий КПД полупроводниковых преобразователей электрической энергии. Так как в процессе переключений приборов напряжение и ток не минимальны, мгновенное значение мощности потерь возрастает. Поэтому важно, чтобы эти переключения протекали и заканчивались быстро.
Используемые в системах электропривода переменного тока непосредственные преобразователи частоты (НПЧ) преобразуют переменное трехфазное напряжение сети в трехфазное напряжение, величина и частота которого могут регулироваться независимо друг от друга. Несмотря на ряд достоинств НПЧ (использование низкочастотных тиристоров, высокий КПД, легкость получения обратного направления передачи энергии) его недостатки (сложность схемы силовых цепей, ограниченный диапазон изменения выходной частоты, повышенная чувствительность к качеству напряжения сети, значительное искажение формы выходного напряжения, низкое значение коэффициента мощности) ограничивают применение этих преобразователей.
Другим типом преобразователей частоты является двухступенчатое преобразовательное устройство, выполненное на основе выпрямителя трехфазного переменного напряжения сети и автономного инвертора, преобразующего выпрямленное напряжение в переменное трехфазное с регулируемой частотой и амплитудой. Несмотря на двухкратность преобразования энергии и обусловленное этим некоторое снижение КПД, такие преобразователи частоты (с промежуточным звеном постоянного тока) получили наибольшее распространение в различных типах электроустановок.
В качестве автономных инверторов в системах частотно-регулируемого электропривода переменного тока находят применение автономные инверторы тока (АИТ) и напряжения (АИН). АИТ, формирующий в нагрузке кривые выходного тока, обычно используется вместе с управляемым тиристорным выпрямителем, который регулирует величину входного тока инвертора, определяя тем самым амплитуду выходных токов.
Оптимальную по энергетическим показателям и по регулировочным и механическим характеристикам структуру современного частотно-регулируемого асинхронного электропривода следует выполнять на основе преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока (рис.7), состоящего из выпрямителя с индуктивно-емкостным фильтром постоянного напряжения и автономного инвертора напряжения, построенного на силовых транзисторах типа IGBT и формирующего основную гармонику выходного напряжения методом широтно-импульсной модуляции.
Регулируемый электропривод, силовая часть которого базируется на структуре, представленной на рис.7, обладает целым рядом достоинств: широким диапазоном регулирования (D=30…60 и более); высоким коэффициентом полезного действия (без учета двигателя он достигает величины 0,98); высоким коэффициентом мощности (до 0,98); высокой надежностью и компактностью преобразователя и др. Все это свидетельствует в пользу рассмотренной структуры силовой части, которой и было отдано предпочтение при разработке частотно-регулируемых приводов серии АТ.
Главными достоинствами преобразователей частоты с АИТ являются возможность использования обычных тиристоров и легкость осуществления обратного преобразования энергии — от двигателя через АИТ и управляемый выпрямитель (который при этом переводится в режим зависимого инвертора) в питающую сеть. К
основным недостаткам следует отнести:
низкий коэффициент мощности на входе,
несинусоидальность выходных напряжений и токов,
ограниченность диапазонов регулирования выходной частоты и допустимых изменений параметров нагрузки.
Более широкое распространение получили двухступенчатые преобразователи частоты на основе АИН. В отличие от АИТ, содержащего на своем входе в цепи постоянного тока индуктивность, обязательным элементом на входе АИН является параллельно включенная емкость. Поэтому в результате подключений полупроводниковыми ключами этой емкости к выходным зажимам АИН осуществляется формирование кривых напряжения нагрузки. При использовании неуправляемого выпрямителя обеспечивается высокое значение коэффициента мощности на входе, а регулирование величины выходного напряжения может осуществляться методом широтноимпульсного регулирования (ШИР) или более совершенным методом широтноимпульсной модуляции (ШИМ).
7.2. Кратко остановимся на тормозных режимах частотно-регулируемого электропривода. Этот режим может быть осуществлен по принципу динамического торможения при питании обмоток статора двигателя постоянным током от АИН. В случаях, когда эффективность такого торможения оказывается недостаточной, может быть использован принцип генераторного торможения с передачей активной мощности через АИН в цепь постоянного тока преобразователя частоты. Поскольку передача энергии в сеть через неуправляемый выпрямитель невозможна, для предотвращения недопустимого повышения напряжения на емкости фильтра постоянного тока ее разряжают с помощью транзисторного импульсного регулятора на специальный тормозной резистор. Если величина энергии, отдаваемой двигателем в тормозных режимах, велика и целесообразно обеспечить ее передачу в сеть переменного тока, то должен использоваться управляемый выпрямитель. Благодаря свойству обратимости по направлению преобразования энергии, на входе преобразователя частоты может использоваться транзисторный АИН с ШИМ. В тормозных режимах привода он будет выполнять роль инвертора, обеспечивающего рекуперацию в сеть энергии из цепи постоянного тока, а в двигательном режиме привода — перейдет в режим выпрямителя. При выполнении обеих этих функций обеспечивается высокая степень синусоидальности сетевых токов и возможность регулирования реактивной мощности обоих знаков. Дополнительным преимуществом следует считать использование на входе и выходе преобразователя частоты одинаковых транзисторных устройств.