ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

ФОРМИРОВАНИЕ И РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ЧАСТОТЫ

Система регулирования преобразователей частоты должна обеспечить выполнение трех основных функций:

регулирование частоты в требуемом диапазоне, в наибо­лее общем случае от нуля до номинальной и выше;

регулирование амплитуды напряжения независимо о1 частоты;

формирование напряжения с возможно лучшим прибли­жением к синусоидальной форме по всему диапазону регу­лирования.

Известно большое число разных способов решения этих задач, но главным признаком, разделяющим их, является способ питания автономного инвертора. Если исключить питание непосредственно от сети переменного тока в НПЧ, остается два вида двухзвенных преобразователей с выпря­мителями, питающими автономный инвертор — управляе­мым и неуправляемым выпрямителем. Регулирование ча­стоты в обоих случаях осуществляется инвертором.

Регулирование напряжения в первом случае выполняет­ся выпрямителем, во втором — прерывателем (импульсным регулятором) или инвертором.

Регулирование напряжения управляемым выпрямителем применяется при сравнительно небольших диапазонах ре­гулирования напряжения порядка от 10: I до 20: 1, так как с понижением напряжения увеличивается пульсация напря­жения, затрудняется фильтрация и ухудшаются условия коммутации инвертора, что вынуждает применять дополни­тельный источник напряжения специально для комму­тации.

Значительное уменьшение пульсаций дает время - импульсное регулирование постоянного напряжения не­управляемого выпрямителя посредством вентильных преры­вателей, работающих на повышенных частотах квантования (1000 Гц и выше).

Частота автономных инверторов в подавляющем боль­шинстве случаев задается по разомкнутому циклу непосредственно от специальных задатчиков частоты — генера­торов сигналов управляемой частоты.

Простой релаксационный /?С-генератор на транзисторах может обеспечить удовлетворительную точность порядка ±0,5% при обычных температурных условиях. Эта точ­ность существенно повышается термостатированпем задат­чика. В случаях, требующих большей точности, применяют­ся стабилизированные камертонные или кварцевые генера­торы, обеспечивающие стабильность частоты порядка 0,001%- Для регулирования применяются схемы деления частоты.

В случаях, когда управление частотой осуществляется по замкнутому циклу аналоговым способом, необходимо применение задатчиков, частота которых управляется сиг­налом постоянного напряжения или тока. Такие задатчики строятся обычно на основе мультивибраторов с нелинейным релейным элементом. Старейшим примером такого задатчи­ка служит популярная схема магнитно-транзисторного пре­образователя (Ройера) [3J.

Для регулирования амплитуды напряжения на выходе инвертора при питании его от неуправляемого выпрямите­ля основным методом стала широтная и широтно-пмпульс - пая модуляция (ШИМ). Известно много разных вариан­тов модуляции, рассмотрим вкратце наиболее важные.

Простейшим способом регулирования напряжения явля­ется формирование на каждом периоде выходной, рабочей частоты двух разнополярных импульсов и регулирование их длительности относительно периода. Так как с измене­нием частоты продолжительность периода меняется, то точнее говорить об изменении периода при постояной ши­рине импульса.

Управление периодом при постоянной длительности им­пульса, или другими словами— относительной шириной импульса, проще всего показать на примере однофазного мостового инвертора (рис. 3.61). Каждый тиристор инвер­тора открыт в течение полупериода, но в каждой проводя­щей в данный полупериод паре последовательно включен­ных тиристоров, Ті я Ті или Тг и Т3, проводящий полупе­риод одного тиристора сдвинут во времени относительно другого тиристора (Г4 относительно Т{ или Т3 относитель­но Тг). Но, так как ток может проходить только когда включены оба тиристора пары, ширина импульса и опре-> деляе-ся этим смещением.

Импульс напряжения (см. рис. 3.60) как функция, обла­дающая симметрией 4-го рода, разлагается в ряде Фурье с гармониками

«/2

Umk = JLJ u(x)sinkxdx, (3.40)

в

где k=2s + , s=0, 1, 2, 3 ...

При амплитуде импульса, равной единице, амплитуды гармоник будут:

п 4 . . 8

Umk—kn Sin* 2 ,

где 0 — угловая ширина импульса.

Амплитуда первой полезной гармоники имеет макси­мум, когда оба тиристора включаются одновременно (0= =я/2), и равна

(Jmi=4j я.

На рис. 3.62 показаны относительные значения гармо­ник 1, 3, 5 и 7 UmklUmi в зависимости от длительности импульсов.

Этот же метод регулирования напряжения применим и для трехфазного напряжения. Доста­точно соедииить три инвертора в трехфазную группу (рис. 3.63) с соответствующим соблюдением очередности включения вентилей.

При соединении нагрузки в зве­зду каждый однофазный мост питает одну фазу нагрузки. В ли­нейном напряжении трехфазной схемы исключаются все гармони­ки, кратные трем, и остаются пя­тая, седьмая, одиннадцатая и т. д., амплитуды которых опре­деляются тем же графиком на рис. 3.62.

Если соединить шесть однофазных мостовых схем, то исчезнут все гармоники ниже одиннадцатой в широком диапазоне регулирования. Применение этой схемы оправ­дывается, если 24 вентиля необходимы, чтобы обеспечить требуемую мощность.

Следующий шаг в расширении возможностей формиро­вания напряжения однофазного инвертора (см. рис. 3.61) дает использование двух одинаковых импульсов на полупе - риоде (рис. 3.64) путем изменения двух их параметров— длительности импульсов '0 и их фазы -ф, отнесенной к сре­дине импульса. Функция импульсов также обладает сим­метрией 4-го рода, и ее гармоники определяются тем же интегралом (3.40).

В силу симметрии —і|)і. Параметр 0 — длитель­ность импульсов используется для регулирования уровня напряжения, т. е. амплитуды первой гармоники, а пара - метр ф, определяющий фазу импульсов, служит для подав* ления высших гармоник. Фазы начал импульсов:

фі——фі—0/2; ф2='ф2+0/2.

При tyi—л/З, і|)2=2я/3 исчезают все гармоники, крат* ные трем. На рис. 3.64 показана зависимость относитель* ных амплитуд гармоник от длительности импульсов Рис. 3.65 поясняет способ формирования напряжения с дву. мя импульсами за полупериод.

Наложение в компараторе пилообразного опорного на­пряжения Иоп несущей частоты /:0п=1 /Т’оп на постоянное смещение (рис. 3.65,а) задает паузу между импульсами б в выходном сигнале компаратора ык. Последний модулиру­ет напряжение трех фаз иа, иь и ис кольцевого счетчика (рис. 3.65,6), который выдает модулированное напряжение (рис. 3.65,в), управляющее тиристорами так, что сложение каждой пары фазных напряжений формирует линейное напряжение требуемой формы ил с периодом Г© (рис. 3.65,г).

Верхний и нижний пределы модулирующего угла 6 при данной частоте инвертора fi и заданном отношении несу­щей частоты /оп к fi ограничены характеристиками силовых тиристоров — временем выключения по основной цепи.

В результате граница рабочей области выходных ха­рактеристик инвертора ограничена сверху минимально до­пустимой паузой 6, снизу максимальной длительностью импульса (которая также зависит от б), справа — несущей частотой, увеличение которой ограничивает потери на ком­мутацию.

На рис. 3.66 показаны рабочие области зависимости от­носительного выходного напряжения от рабочей частоты инвертора при следующих условиях:

ё—/пес//і-—12, Ьтіп—300 МКС, /н

Несущая частота, выбранная из условий приемлемых искажений формы напряжения при верхнем значении ра­бочей частоты, оказывается неже­лательно высокой в нижием диапа­зоне частот из-за потерь на комму­тацию, пропорциональных несущей частоте. Для получения лучшего компромисса между искажениями формы напряжения, т. е. амплиту­дами гармоник, и потерями на ком­мутацию применяют системы с пе­ременной, ступенчатой по диапазо­ну регулирования, несущей часто­той с адаптивным управлением перехода с одной ступени па другую.

Переключения с одного значения несущей частоты на другое осуществляются в зависимости от отношения несу­щей частоты к рабочей и, следовательно, g в зависимости от гармонического состава выходного тока инвертора (на рис. 3.66 |=6-г-24; при частоте 60 Гц £=12). С этой целью адаптивная система управления измеряет текущие значе­ния длительности импульса, нулевой паузы и несущей ча­стоты и выдает сигнал в течение каждого периода рабочей частоты инвертора, поддерживая автоматически оптималь­ное значение отношения | [33].

Реже применяется улучшение формы напряжения путем увеличения числа импульсов до трех на полупериоде [7].

Хороший результат дает каскадное соединение двух и более инверторов через вторичные обмотки их трансфор­маторов, как это показано на рис. 3.67. Напряжение на нагрузке является в этом случае геометрической суммой напряжений отдельных инверторов и может плавно регули­роваться от нуля до максимального значения смещением фаз открытия отдельных инверторов. Этот способ особен­но эффективно используется в установках большой мои? ности вместо параллельного соединения тиристоров.

В другом случае используют комбинирование в звезду и треугольник напряжений двух обмоток на каждой фазе Первичные напряжения выходных трансформаторов обои) инверторов сдвинуты по фазе на 30°, а вторичные их обмер ки соединены последовательно. На рис. 3.68,а и б показа, ны векторные и временные диаграммы для этого случая.

Оі и Uz — вторичные напряжения выходных трансформато­ров двух инверторов одной фазы Л; Оа и Ов — фазные на­пряжения фаз А я В соответственно; UBa — линейное на­пряжение между фазами А я В.

Большое практическое значение имеет широтно-им­пульсная модуляция однополярных (рис. 3.69,а) и разно-

полярных (рис. 3.69,6) импульсов по закону, обеспечиваю­щему возможно лучшее подавление высших гармоник, т. е. возможно более чистое выделение полезной гармоники.

Одним из способов получения ШИМ является сравнение на­пряжения сигнала несущей ча­стоты треугольной формы иоп с командным напряжением ик вы­ходной частоты (рис. 3.70). В ре­зультате образуется серия им­пульсов одинаковой амплитуды, но разной длительности, полез­ная составляющая которой име­ет форму синусоиды заданной частоты и амплитуды.

Действительно, среднее значение напряжения в каждом гг-м интервале квантования продолжительностью rK=const составляет:

ІІп=НКті,

где % — tyi/TK — коэффициент заполнения; t* — продолжи­тельность импульса.

Для регулирования напряжения коэффициент заполне­ния должен изменяться во времени по закону, близкому к синусоиде

кп=хт sin гі(йвТк='Хт sin 2лл7’к/7’в, амплитуда которой определяет амплитуду выходного на­пряжения, а период Гв=2я/юв — его круговую частоту