ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Основные типы преобразователей

Большая часть приводов переменного тока питается от промышленной трехфазной сети, поэтому силовая часть систем частотного управления обычно называется преобразователем частоты, т. к. она формирует в обмотках статора АД напряжения и токи с частотой отличной от частоты источника питания.

Преобразователи частоты (ПЧ) по числу ступеней преобразования энергии делятся на ПЧ с непосредственной связью (НПЧ) и с промежуточным звеном по­стоянного тока (рис. 2.32).

В настоящее время более распространены ПЧ со звеном постоянного тока. На входе энергетического канала этих ПЧ установлен управляемый (рис. 2.33 а и б) или неуправляемый (рис 2.33 в) выпрямитель. После преобразования выпря­мителем энергии переменного тока с постоянными значениями напряжения и частоты в энергию постоянного тока, она поступает на вход инвертора (И) и сно­ва преобразуется в энергию трехфазного переменного тока, но уже с регулируе­мыми параметрами. Таким образом, в ПЧ этого типа происходит двойное преоб­разование энергии, что несколько снижает его КПД, однако другие существен­ные преимущества этих преобразователей обеспечивают им доминирующее по­ложение в современном автоматизированном приводе.

Для энергетической развязки выпрямителя и инвертора между ними обяза­тельно устанавливают накопитель энергии. В зависимости от вида этого накопи­теля - конденсатор или дроссель (рис. 2.33) - инвертор работает либо в режиме источника напряжения (ПН), либо источника тока (ИТ). Накопитель энергии не­обходим потому, что энергия постоянного тока чисто активная, а для формиро­вания магнитных полей в двигателе нужен обмен реактивной энергией с источ­ником питания, которую и обеспечивает накопитель. При переходе АД в генера­торный режим изменяется знак активной составляющей тока статора, т. е. ее на­правление по отношению к напряжению. Этот ток и напряжение примерно соот­ветствуют величинам на входе И, поэтому при изменении режима АД должно изменяться взаимное направление тока и напряжения в звене постоянного тока. Но в ПЧИН изменить направление может только напряжение, а в ПЧИТ - ток.

Другой класс преобразователей со звеном постоянного тока составляют уст­ройства, в которых функции регулирования обоих выходных параметров (ам­плитуды и частоты) возложены на инвертор, а в выпрямителе используются не­управляемые диоды. Такой тип ПЧ относят к широтно-импульсным преобразо­вателям (ШИП рис. 2.33 в), а инвертор, работающий в режиме широтно­импульсной модуляции - к широтно-импульсным регуляторам (ШИР). В на­стоящее время, благодаря развитию силовой электроники и, прежде всего, появ­лению силовых транзисторов с изолированным затвором (IGBT - insulated gate bipolar transistor), этот тип ПЧ стал наиболее распространенным. Поэтому мы остановимся на его устройстве более подробно в следующем разделе.

Отдельный класс преобразователей составляют НПЧ. В них выходное на­пряжение формируется из участков синусоид напряжения сети питания, при этом двигатель в процессе работы преобразователя через открытые ключи в каж­дый момент времени оказывается подсоединенным непосредственно к источнику питания. Это позволяет без использования дополнительных устройств обеспе­чить двухсторонний обмен энергией между АД и питающей сетью, что, в свою очередь, создает возможность работы двигателя в двух квадрантах механической характеристики.

НПЧ в принципе могут строиться на основе частично или полностью управ­ляемых ключей. В первом случае в качестве ключей используют тиристоры (си - мисторы) с естественной коммутацией (ЕК); во втором - либо полностью управ­ляемые тиристоры или тиристоры с искусственной коммутацией, либо транзи­сторы (рис. 2.32). Применение искусственной коммутации позволяет регулиро­вать выходную частоту в области ниже и выше частоты сети. Однако коммута­ционные устройства тиристорных ключей существенно ухудшают массогаба­ритные показатели. Применение транзисторных ключей исключает этот недоста­ток, но сам принцип работы НПЧ требует использования по крайней мере трой­ного количества ключевых элементов по сравнению с ПЧ с инверторами. Кроме того, для некоторых задач в НПЧ используют входные или выходные трансфор­маторы, что еще более снижает их конкурентоспособность. Поэтому в преобра­зователях этого типа чаще всего используют естественную коммутацию и при­меняют их в приводах, где отчетливо проявляются достоинства тиристорных ключей - в приводах большой мощности.

С помощью трехфазно-трехфазных НПЧ ЕК можно формировать фазные то­ки АД с коэффициентом искажения порядка 0,99-0,9999, т. е. токи, содержащие практически только основную гармонику. Однако с повышением частоты основ­ной гармоники искажения увеличиваются и при питании от сети 50 Гц предель­ной выходной частотой с удовлетворительным спектром тока считается 20 Гц. Повышение этой частоты в 1,5-2 раза возможно с помощью входных трансфор­маторов и дополнительных ключей, но такое решение существенно ухудшает массогабаритные показатели. В любом случае использование НПЧ для токового управления АД позволяет осуществить глубокое регулирование частоты враще­ния вплоть до работы на упор с номинальной перегрузочной способностью, а также обеспечить запуск двигателя в тяжелых условиях. Наличие относительно

большого количества ключей является недостатком НПЧ, но надежность и мощ­ность тиристорных коммутаторов определили область, в которой почти исклю­чительно применяются НПЧ ЕК. Это приводы большой мощности с тяжелыми условиями пуска такие, как тяговый привод на транспорте, гребные валы судов, цементные мельницы и т. п.