ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫИ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

ТИПЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ

В электроприводах переменного тока находят применение преобразователи частоты следующих типов:

• преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока и автономным инвертором напряжения (АМН) или тока (АИТ);

• преобразователи с непосредственной связью с сетью - непосредственные преобразователи частоты (НГТЧ).

Автономные инверторы позволяют регулировать частоту выходного напряжения как вверх, так и вниз от номинального значения частоты сети. В НПЧ частота регулируется только вниз от номинала.

Преобразователи частоты с АИН. В таких преобразователях напряжение сети сначала выпрямляется, а затем инвертируется в переменное напряжение необходимой частоты, т. е. происходит двухступенчатое преобразование энергии по схеме переменный ток - постоянный ток - переменный ток. Преобразователь частоты представляет собой комбинацию выпрямителя и автономного инвертора с промежуточным звеном постоянного тока.

На практике нашли применение два основных структурных варианта преобразователей частоты с АИН, отличающихся методом регулирования напряжения:

1) амплитудное регулирование напряжения с помощью управляемого выпрямителя (рис. 5, а);

2) широтно-импульсная модуляция, осуществляемая в АИН, который в этом случае выполняет функции регулятора напряжения и частоты (рис. 5, б).

При амплитудном регулировании напряжения преобразователь частоты состоит из управляемого выпрямителя, фильтра и автономного инвертора (регулирование напряжения и частоты осуществляется раздельно). Управляемый выпрямитель в приводе с частотным управлением работает точно так же, как и в приводе постоянного тока.

Автономный инвертор представляет собой реверсивный переключатель, формирующий периодические прямоугольные разнополярные импульсы, аппроксимирующие синусоиду напряжения из выпрямленного напряжения.

По второму варианту структуры преобразователя частоты с АИН осуществляется формирование выходного напряжения по методу широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжения в самом инверторе (рис.5,6). При этом инвертор не только изменяет частоту выходного напряжения, но и регулирует его среднее значение, что позволяет отказаться от регулируемого выпрямителя в звене постоянного тока и использовать более простой нерегулируемый диодный выпрямитель.

Принцип действия инвертора с ШИМ—иллюстрирует рис. 6. Период синусоидального сигнала разбивается на большое число (не менее 24) малых интервалов длительностью At. На каждом интервале создаются два разнополярных импульса длительностью A11 и At2. Если длительность положительного и отрицательного импульсов одинакова, то среднее значение напряжения на интервале At равно нулю. В противном случае получают положительное или отрицательное выходное

напряжение, пропорциональное модулю разности длительностей этих импульсов, ± | Д/у - Д г^|.

Когда один из импульсов имеет нулевую длительность, получают максимальное среднее напряжение, равное £/<?. ШИМ позволяет уменьшить высшие гармонические составляющие в выходном токе инвертора и приблизить его к точной синусоиде. Точность аппроксимации синусоиды повышается по мере увеличения частоты коммутации, которая определяется, в первую очередь, динамическими возможностями силовых ключей. Поэтому в преобразователях частоты с ШИМ применяют транзисторные ключи (IGBT, MOSFET).

Преобразователь частоты с АИТ обеспечивает постоянство тока нагрузки независимо от режима работы, т. е. обладает свойствами источника тока. Идеальный источник тока должен иметь бесконечно большое внутреннее сопротивление. В реальных преобразователях частоты принимают меры по увеличению внутреннего сопротивления.

Преобразователь частоты с АИТ состоит из управляемого выпрямителя, фильтра в промежуточном звене постоянного тока и автономного инвертора, т. е. структура АИТ совпадает со структурой АНН. Отличие заключается в том, что фильтр состоит из дросселя L с большой индуктивностью и, следовательно, большим индуктивным сопротивлением, что увеличивает полное внутреннее сопротивление источника. Кроме того, управляемый выпрямитель охвачен обратной связью по току, стабилизирующей величину' тока нагрузки. Важным преимуществом преобразователей частоты с АИТ является возможность рекуперации энергии в сеть при торможении. Для этого нереверсивный управляемый выпрямитель переводят в режим инвертора, ведомого сетью.

НПЧ осуществляет однократное преобразование электрической энергии, поэтому в нем нет промежуточного звена постоянного тока, и силовой преобразователь питается синусоидальным напряжением сети, изменяя его амплитуду и частоту'. Такие преобразователи часто называют инверторами, ведомыми сетью. По своей структуре НПЧ является реверсивным управляемым выпрямителем, на который подается синусоидальное управляющее напряжение.

Из принципа действия НПЧ вытекает его особенность - однозонное регулирование частоты только в сторону уменьшения относительно частоты сети. При этом, хотя теоретически максимальная частота выходного напряжения совпадает с частотой сети, но на практике это значение примерно вдвое меньше. Из этого следует, что НПЧ выгодно применять в тихоходном электроприводе. Так же, как и автономные инверторы, НПЧ могут работать в режиме источников напряжения или тока. В последнем случае преобразователь должен быть охвачен быстродействующей обратной связью по току.