ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Трехпульсный симметричный пре­образователь

Простейший трехпульсный (т=3) симметричный пре­образователь состоит из трех независимых реверсивных четырехквадратных однофазных выпрямителей с общим трехфазным трансформатором (рис. 3.31). В случае неурав­новешенной трехфазной нагрузки нулевые точки трансфор матора и нагрузки соединяются нулевым проводом по пунктиру. Реверсивный выпрямитель каждой фазы выпол­нен по лучевой схеме, благодаря чему общее число венти­лей сокращено до 18. При симметричной нагрузке токи ну­левой последовательности отсутствуют. Это позволяет при­менять трехфазные трансформаторы по простой схеме звезда — звезда. Уравнительные реакторы не всегда необ­ходимы.

На рис. 3.32 показана схема на 36 вентилях со средней точкой. Реверсивные четырехквадрантные 'преобразователи выполнены по мостовой схеме и питаются от одного транс­форматора по схеме звезда — двойная звезда. Уравнитель­ные реакторы также не всегда необходимы. Если в мосто­вых НПЧ необходимо обеспечить электрическую изоляцию между входом и выходом, возможны два способа: или раз­делить три фазы нагрузки, что всегда возможно при пита­нии асинхронных двигателей, или питать каждый мост от своей трехфазной обмотки трансформатора. В последнем случае общая полная мощность трех вторичных обмоток

трансформатора примерно на 22% больше мощности пер­вичной обмотки.

Аналогичным способом строятся и двенадцатипульсные фазные преобразователи.

На рис. 3.33 показана упрощенная структурная схема НПЧ по кольцевой схеме. Кольцевая схема строится из трех двухквадрантных преобразователей, выходные выводы которых соединены в замкнутое кольцо — треугольник.

Каждый преобразователь пита­ется от изолированной обмотки трансформатора. Трехфазння на­грузка также, соединена треу­гольником. Преобразователь каждого плеча может пропускать ток только в одном направлении. Линейный ток нагрузки может протекать в обоих направлениях, используя преобразователь дру­гого плеча. Например, положи­тельная полуволна тока 1 течег через П1, а отрицательная—че­рез П2 [23].

Благодаря применению одно­комплектных двухквадрантных преобразователей, число венти­лей, при той же частоте пульса - Рис. 3.33 дни уменьшается вдвое по срав-

нению с симметричными схемами, но несколько ухудшает­ся использование выпрямителя и трансформатора.

Ток в фазах нагрузки также синусоидальный, а ток в отдельных преобразователях представляет положитель­ные импульсы сложной формы, длительностью 2/3 периода. В паузы длительностью 1/3 периода преобразователи бло­кируются, чтобы предотвратить циркуляцию тока по кольцу.

Среднеквадратичное значение идеальной волны тока преобразователя в 1,55 раза больше действующего значе­ния синусоидального тока треугольника нагрузки. Соответ­ственно больше должна быть полная мощность изолирован­ных обмоток трансформатора, по сравнению с полной мощ­ностью нагрузки.

Схема трехфазного кольцевого НПЧ (рис. 3.34,а) состо ит из трех одинаковых трехфазных двухквадрантных пре образователен, соединенных в кольцо. Каждый преобразо ватель питается от своей вторичной обмотки трпасформа тора. В схеме всего девять вентилей.

UU = 3V3 UTI2*.

На рис. 3.34,6 показана схема шестифазного НПЧ. Он$ состоит из трех мостовых двухквадрантных преобразовате­лей, соединенных в кольцо, и имеет 18 вентилей.

ия = ЗУЗ UJ2*.

Для получения трехфазного 1

напряжения можно применять также преобразователи по схеме открытого треугольника, упро­щенная схема которого показана на рис. 3.35. Напряжение меж­ду выводами 1—3 такое же, как и в кольцевой схеме, но токи от­личаются. Ток преобразователя П1 от вывода 2 к выводу 1 — линейный ток /1, а ток преобра­зователя П2 от вывода 3 к выво­ду 2—это инвертированный ли­нейный ток—/3. Напряжения ос­новных гармоник на треугольни­ке нагрузки симметричны, но высшие гармоники напряжений преобразователей разные. Рис. 3.35

В табл. 3.3 приводятся основ­ные параметры НПЧ при чисто активной нагрузке по схе­мам рис. 3.34 и 3.35.

В табл. 3.3 и на схемах P„ = 3UHIo, где UH — линейное напряжение нагрузки, /0 — фазовый ток нагрузки, UT — фазовое вторичное напряжение трансформатора (действую­щие значения).

В НПЧ применяется также принудительная коммутация по таким же принципам, как и в автономных инверторах (см. § 3.6). На рис. 3.36 показана схема НПЧ с принуди­тельной импульсной коммутацией.

Для получения на выходе НПЧ напряжения, прибли­жающегося по форме к синусоидальному заданной ампли­туды и частоты, предложено много различных схем с ра­зомкнутой и замкнутой цепью управления. Общим недо­статком схем с разомкнутой цепью являются, во-первых, трудности расчета и получения специальной формы волны управляющего сигнала, обеспечивающей приемлемое при­ближение первой гармоники выходного напряжения к сину­соидальной форме, и, во-вторых, подверженность этой фор­мы различным внешним влияниям.

Лучшие результаты могут дать замкнутые системы управления с отрицательной обратной связью и синусои­дальным задающим воздействием от специального задат­чика.

Нарис. 3.37 показана упрощенная схема НПЧ с замкну­той цепью управления. Управление каждым преобразовате­лем осуществляется от своего импульсного генератора. Фа­зы включающих вентили импульсов управляются напряже

НИЯМИ U И «2-

На входы импульсных генераторов поступают управ ляющие сигналы — усиленные усилителем У сигналы рас согласования (погрешности) между командным сигна лом ык и фактическим напряжением на выходе НПЧ. На эти сигналы наложены фиксированные напряжения смеще - яия Е разных знаков, которые введены для предотвращен

ния циркулирующих токов. В первом полупериоде прово­дит левый преобразователь. Напряжение внешнего смеще­ния + Е этого преобразователя компенсирует внутреннее смещение импульсного генератора и подает на вход сиг­нал управлення, равный командному, у правого же преоб­разователя внешнее смещение —Е удваивает общее смеще­ние и блокирует его. Во втором полупериоде положение меняется на обратное: на правый усилитель поступает на­пряжение, равное командному, а левый усилитель блоки1 руется [23].

АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ

Автономные инверторы предназначены для преобразо* вания напряжения или тока одного направления в знако­переменную, в идеальном случае синусоидальную, форм) или, проще говоря, для преобразования постоянного токя в периодический.

126

Для такого преобразования пригодны вентили коммута­тора с полным управлением, т. е. допускающие по цепям управления не только включение вентилей, но и выключе­ние. Транзисторы и тиристоры с полным управлением пока что имеют весьма ограниченное применение из-за малой мощности. Поэтому проблема создания автономных инвер­торов еще до появления тиристоров сводилась, главным образом, к изысканию и разработке достаточно совершен­ных способов выключения вентилей неполного управления ігри питании их постоянным напряжением.

Впервые эта задача была решена в 1928 г., когда был построен автономный инвертор на тиратронах. Это был па­раллельный однофазный инвертор с выводом средней точки и с конденсаторной коммутацией, которая еще раньше бы­ла использована в мощных триггерах. Параллельным он называется потому, что в нем конденсатор подключен па­раллельно нагрузке в отличие от последовательного инвер­тора, не получившего значительного применения.

Сущность коммутации параллельного инвертора (рис. 3.38), получившей название сопряженной или меж- дуфазовой импульсной коммутации, заключается в сле­дующем.

Пусть в некоторый начальный момент времени проводит вентиль Ті и конденсатор заряжен от источника сети по­стоянного тока до некоторого напряжения*" ис0 с поляр­ностью, показанной на схеме. Если затем подать открываю­щий сигнал на вентиль Т2, то последний, открываясь, замк­нет конденсатор через вентили. Импульс разрядного тока конденсатора, вычитаясь из тока вентиля Ті, выключит его и разомкнет цепь. Конденсатор окажется подключенным через левую половину обмотки трансформатора к положи­тельному полюсу источника постоянного тока и будет за­ряжаться в обратном направлении.

Таким образом, в параллельном инверторе конденсатор полностью участвует в формировании тока главной цепи и в передаче энергии с входа на выход инвертора.

Из-за отсутствия индуктивностей в коммутируемом кон­туре, состоящем из конденсатора и обоих вентилей, комму­тация проходит почти мгновенно. Внешняя цепь источника •постоянного тока имеет относительно большую индуктив­ность, поэтому в момент коммутации постоянный ток источ­ника не может иметь скачков. С другой стороны, по закону равновесия МДС трансформатора вторичная его МДО с точностью до намагничиваюшей МДС равна первичной. В результате приведенный к числу витков первичной обмот­ки вторичный ток имеет форму постоянного тока первичной обмотки, модулированного прямоугольной волной — комму­тационной функцией, а форма напряжения переменного тока нагрузки определяется параметрами последней.

В параллельном инверторе с сопряженной конденсатор­ной коммутацией конденсатор полностью участвует в фор­мировании тока главной цепи и в передаче энергии с входа на выход инвертора, что и является его главным недостат­ком в применении для питания асинхронных двигателей. Теоретические и экспериментальные исследования показан ли, что для обеспечения надежной коммутации тока венти­лями, приемлемой формы кривой напряжения и устойчивой работы привода в широком диапазоне частот нужно одно­временно и по сложному закону регулировать моменты открытия вентилей, входное напряжение и емкость конден­саторов. Так как конденсаторы выполняли функцию на только коммутации тока, но и компенсации намагничиваю­щего тока, требуемая их емкость возрастала обратно про­порционально квадрату минимальной частоты. Это ограни­чивало нижнюю границу частот и исключало применение частотного пуска. Большие осложнения возникали такж^ из-за необходимости переключения конденсаторов при яз - менении нагрузки и частоты.

Эти трудности отсутствовали бы в инверторе с идеаль­ными ключами, обладающими двухсторонней проводи­мостью и полной управляемостью, например механически­ми контактами. Принцип действия такого идеального инвер - тора поясним па максимально упрощенной схеме рис. 3.39,а Пусть источник питания состоит из двух идеальных (без внутреннего сопротивления) генераторов с постоянным^ ЗДС Е. Нагрузка смешанная, индуктивно-резистивная R L, последовательно с ней включен сглаживающий реак тор Ьф. Функции инвертора выполняет ключ, переключаю­щий нагрузку с одного генератора на другой с одинаковы­ми полупериодами Ти. Коммутацию считаем идеальной, т. е. мгновенной. В этом случае благодаря индуктивностям ток нагрузки в момент переключения не будет иметь разрыва, т. е. будет иметь одно и то же значение до и после пере­ключения.

На этом основании дискретную схему переменной струк­туры рис. 3.39,а можно заменить вполне корректно непре­рывной схемой рис. 3.39,6 с одним идеальным генератором, ЭДС которого в момент коммутации меняет знак, т. е. име­ет форму меандра.

Принципиально важно, что такая замена реальной ди­скретной схемы переменной структуры непрерывной схемой постоянной структуры, с соответствующим изменением внешних ЭДС, правомерна с точностью до замены реальной коммутации идеальной (мгновенной и без разрывов тока).

Внутри любого интервала — полупериода между пере­ключениями, для схем рис. 3.39 справедливо дифферен­циальное уравнение

R + L^=± Е, (3.29)

где Ь=Ь + Ьф — суммарная индуктивность нагрузки и фильтра.

Практическая реализация рассмотренного нами идеаль­ного инвертора встретила, однако, много трудностей, из которых принципиальными были две: односторонняя прово­димость вентилей и неполная управляемость силовых вен­тилей — ртутных и полупроводниковых.

Первая трудность была преодолена включением встреч­но-параллельно основным вентилям обратных диодов, вто­рая — использованием разных схем принудительной ком­мутации для выключения тока силовых вентилей неполного управления.

Обратные диоды впервые были введены в схему парал­лельного инвертора в 1946 г. Мак-Мурри (США). Исследо­вание инверторов с обратными дио­дами было проведено в СССР в 1961 г. Д. А. Завалишиным, Б. П.

Соустиным и В. Ф. Шукаловым, предложившим оригинальный вари - +о - ант схемы.

Обратные диоды стали основным элементом большинства схем инвер - Е торов, получивших практическое применение в электроприводах.

Первый вариант схемы Мак-Мурри —в - показан на рис. 3.40. Схема одина­ково хорошо работает под на­грузкой и при холостом ходе, с отстающим и опере­жающим коэффициентом мощности. Емкость коммутирую­щего конденсатора, а также индуктивность сглаживающего дросселя в ней значительно меньше, чем в предшественни­ках этой схемы — параллельных инверторах.

Обратные диоды включаются встречно-параллельно основным вентилям в инверторе с одним источником по­стоянного тока. Введение обратных диодов по существу означает объединение инвертора с выпрямителем в один обратимый преобразователь, который может передавать энергию в обоих направлениях, подобно машине постоянно­го тока. Функция обратных диодов заключается в сле­дующем.

При работе инвертора на индуктивную нагрузку, после запирания основного тиристора, необходимо открыть току нагрузки, продолжающему протекать в прежнем направле­нии, новый путь, который и даст обратный диод, присоеди­ненный встречно-параллельно тиристору. Поэтому комму­тирующий конденсатор обеспечивает ток нагрузки только в тот короткий интервал времени коммутации, когда ток переходит с запираемого тиристора в обратный диодОстальную часть времени коммутирующий конденсатор не участвует в передаче энергии главной цепи. Поэтому ем­кость может быть небольшой

Через обратные диоды источнику постоянного тока воз­вращается реактивная энергия, запасенная в индуктивно­сти нагрузки. Периодический обмен энергией между источ­ником постоянного тока и нагрузкой переменного тока про­исходит следующим образом. В слу­чае индуктивной нагрузки энергия, запасенная в индуктивности в по­следней части полупериода напря­жения, возвращается в источник питания в течение следующей части полупериода напряжения.

В отличие от перехода в инвер­торный режим управляемого вы­прямителя, когда его угол открытия становится больше 90°, а выпрям­ленное напряжение становится от­рицательным, т. е. выпрямитель переходит из I квадранта в IV, в Рис. 3.41 инверторе с обратными вентилями реверсирование потока энергии осуществляется изменением направления тока.

Такой инвертор является полным статическим аналогом вращающегося синхронного преобразователя или двига­тель-генератора [27].

Основная составляющая инвертированного напряжения инвертора соответствует ЭДС синхронной машины при хо­лостом ходе, а индуктивность фильтра — синхронному ре­активному сопротивлению машины.

Инвертор может работать параллельно с генератором переменного тока при определенных условиях: хорошей

фильтрации полезной составляющей, наличии средств ре­гулирования напряжения, эквивалентных регулятору на­пряжения синхронной машины. Инвертор может работать при любом коэффициенте мощности на стороне переменно­го тока во всем диапазоне изменения фазы переменного тока.

На рис. 3.41 показано, как изменяются активная (0,5 UmIm cos ф) и реактивная (0,5 i/m/?nSin<p) мощности с изменением фазы тока ф относительно напряжения при постоянной полной мощности, поддерживаемой соответст­вующим регулированием переменнго тока. Постоянный ток источника всегда пропорционален активной мощности.

Обратные диоды в схеме Мак-Мурри рис. 3.39 можно заменить полностью управляемыми тиристорами. В резуль­тате образуется обратимый преобразователь выпрямитель - инвертор. Обратимый преобразователь может работать как независимо, так и параллельно с сетью переменного тока. При работе независимо от сети эта схема имеет больший запас устойчивости в широком диапазоне нагрузки и коэф­фициента мощности. Фазовое управление дает возможность поддерживать мощность на постоянном оптимальном уровне.

Усовершенствованным вариантом схемы рис. 3.40 явля­ется схема Мак-Мурри — Бедфорда. На рис. 3.42 показана полумостовая схема этого инвертора. Она может исполь­зоваться самостоятельно или как часть мостовой схемы. В полумостовой схеме источник постоянного тока должен иметь средний вывод или нейтральную точку от конденса­торного делителя напряжения. Обратные вентили подклю­чаются к отпайкам первичной обмотки трансформатора для того, чтобы обеспечить возврат энергии, запасенной в ин­дуктивности L.

Мостовая схема рис. 3.43 представляет собой объедине­ние двух полумостовых схем, работающих со сдвигом по фазе 180° с общими трансформатором и коммутирующим конденсатором, благодаря чему отпадает необходимость иметь вывод средней точки источника питания. На рис. 3.44 показана аналогичная схема трехфазного инвертора.

Другое радикальное усовершенствование простой схемы параллельного инвертора было предложено Н. Н. Щедри­ным и исследовано Б. У. Умаровым [28]. Оно заключалось во включении последовательно с основными управляемыми вентилями добавочных неуправляемых вентилей — диодов (рис. 3.45,а). Добавочные вентили в соответствующий мо­мент отключают конденсатор от трансформатора, сохраняя его напряжение постоянным до следующей коммутации. Благодаря этому добавочные вентили отделили функции коммутации, выполняемые конденсатором, от функции ком­пенсации реактивной мощности и получили поэтому назва­ние отсекающих диодов.