2.11. Практическая реализация частотного регулирования скорости двигателей переменного тока

2.11.1. Электромашинные преобразователи частоты

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.2.49.

Рис.2.49. 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 до 80-х годов прошлого века не получило широкого распространения.

2.11.2. Общая характеристика полупроводниковых преобразователей частоты

Ситуация изменилась с началом серийного выпуска статических полупроводниковых преобразователей частоты, применение которых в регулируемых приводах, помимо непосредственного 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.2.50, и состоят из выпрямителя В, инвертора И и блока управления БУ.

Рис.2.50. 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

Условные обозначения элементов в инверторах ПЧ

В настоящее время применяются преобразователи частоты трех типов 8,9,10:

- 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.2.51), которые управляются модулирующим напряжением. Частота и амплитуда этого напряжения определяют частоту f_в и величину напряжения U_в на выходе преобразователя.

Рис.2.51. Принципиальная схема НПЧ

К достоинствам схемы рис.2.51 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.2.52).

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) большой емкости.

Рис.2.52.Принципиальная схема ПЧИН

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.

На рис.2.52 показан инвертор напряжения, собранный на IGBT транзисторах, шунтированных обратными диодами, что позволяет току в нагрузке протекать со сдвигом фаз по отношению к напряжению, который 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 U_d 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 конденсатором С1. 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.2.53. Ток при этом имеет форму, показанную на рис.2.54.

Рис.2.53. Кривые линейного и фазного напряжений АИН

Рис.2.54. Кривые тока и напряжения на выходе АИН при

широтно-импульсной модуляции

Выходная частота определяется частотой переключения вентилей инвертора.

Регулирование величины выходного напряжения в современных АИН осуществляется путем использования способа широтно-импульсной модуляции (ШИМ), который описан ниже.

При этом возможно не только регулирование средней величины напряжения, но и корректировка его формы, как это показано на рис.2.54.

Регулируя скважность управляющих импульсов по синусоидальному закону, можно получить среднее напряжение U_n , 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.

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.2.55).

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.2.55 показаны запираемые тиристоры GTО.

Рис.2.55. Принципиальная схема ПЧИТ

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.

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, указанной 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 работает по одному вентилю в каждой (анодной и катодной) группах.

Кривая изменения тока фазы А приведена на рис.2.56.

Рис.2.56. 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
1	2	3
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

Продолжение таблицы 2.2

1	2	3
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 %.