ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЕНТИЛЬНЫЕ КОММУТАТОРЫ

Управляемые вентильные коммутаторы выполняют две основные функции преобразователя частоты: 1) преобра­зование параметра энергии — частоты и формы напряже­ния или тока главной цепи и 2) управление значеннями параметров частоты и амплитуды. Обе эти функции вы­полняются дискретно — квантованием. Основное назначе­ние УВК — выпрямление переменного тока в постоянный и инвертирование постоянного тока в переменный. Широко 82 применяются обратимые УВК, обеспечивающие прямое и обратное преобразование качества энергии. В приводах обратимые УВК необходимы для рекуперативного тормо­жения.

Поэтому УВК состоит из двух основных частей: 1 —си­ловой схемы из управляемых вентилей, т. е. собственно коммутатора, передающего главный поток энергии; 2 — устройства управления вентилями, которое выполняет две функции — физическую функцию включения или выклю­чения вентилей и логическую функцию управления очеред­ностью включения и выключе - pi ния отдельных вентилей.

цепь, передающую рабочий по­ток энергии из сети переменного тока к двигателю, и цепь управления, которая несет информацию, управляющую па­раметрами этого потока энергии — формой, амплитудой и частотой напряжения или тока на выходе УВК. Соответст­венно УВК имеет два входа — энергетический рх и инфор­мационный иу и один выход р2, Щ, в котором энергетиче­ский параметр несет также информацию сигнала управле­ния (рис. 3.3).

В настоящее время применяется много различных ви­дов вентилей. Рассмотрение их физических свойств пред­ставляет самостоятельный вопрос. Для изучения основных свойств электропривода с частотным управлением допусти­мо считать все вентили идеальными управляемыми ключа­ми без потерь и накопления энергии.

Идеальный вентиль — это элемент цепи, сопротивление которого может иметь только два значения — нуль и бес­конечность. Потери в вентилях, когда это необходимо, бу­дем учитывать особо.

Ограничимся рассмотрением УВК с идеальными венти­лями следующих видов:

1. Вентили неполного управления — тиристоры и сими - сторы. Замыкают («открывают») цепь по сигналу управ­ления, размыкают («закрывают») цепь в зависимости от напряжения питания при включении в работу следующего вентиля или, когда ток, уменьшаясь, достигает нуля.

2. Вентили полного управления — транзисторы в клю­чевом режиме, тиристоры с принудительной коммутацией. У этих вентилей по цепям управления задается как вклю­чение, так и выключение.

При рассмотрении медленных переходных процессов в системе электропривода будем пренебрегать быстрыми процессами коммутации, т. е. перехода тока с одного вен­тиля на другой, иными словами, считать коммутацию иде­альной, мгновенной.

Процессы коммутации будем рассматривать особо.

Структура силовых цепей УВК, т. е. собственно комму­таторов, весьма разнообразна [7, 10, 12, 16]. Основными следует считать два вида УВК: лучевые — однотактные, которые пропускают ток только в одном направлении, и мостовые, двухтактные, которые пропускают ток в обоих направлениях.

Наибольшим применением в УВК преобразователей частоты пользуются мостовые схемы (рис. 3.4,в и г), кото­рые можно рассматривать как соединения двух лучевых схем (рис. 3.4,а и б). Обе свои функции УВК выполняет посредством квантования по времени непрерывного вход­ного параметра энергии (напряжения или тока) на им­пульсы и формирования из последовательности этих им­пульсов выходного параметра (напряжения или тока). Этот выходной параметр в общем случае представляет собой кусочно-гладкую функцию времени, которая с опре­деленной точностью воспроизводит непрерывный или экви­валентный ему импульсный сигнал управления, поступаю­щий на вход устройства управления вентилями.

В процессе квантования ток последовательно переходит с одного вентиля на другой, сохраняя непрерывность (кро­ме частного случая прерывистых токов), благодаря индук­тивному характеру нагрузки. В одном вентиле он прекра­щается, и вентиль выключается, другой включается, при­нимая на себя ток. Этот процесс называется коммутацией.

Силовые схемы УВК в принципе обратимы, т. е. каж­дая может работать как в режиме выпрямителя, так и в режиме инвертирования, но процессы коммутации в них и способы их осуществления различны.

По признаку коммутации УВК можно разделить на два класса: УВК с естественной коммутацией и УВК с прину­дительной (или искусственной) коммутацией.

С естественной коммутацией работают УВК выпрями­телей и ведомых инверторов в режиме рекуперации энер­гии в сеть или питания синхронных двигателей.

С принудительной коммутацией работают автономные инверторы. Иногда она применяется и в выпрямителях, например для улучшения коэффициента мощности.

Каждый импульс выходного параметра УВК можно разложить в ряд Фурье на его интервале непрерывности между двумя коммутациями Tn=itn+—tn:

fn(t)=fncp+'2l Л/г sin (kmnt-~Vn).

1

Значок " сверху означает, что функция под ним рав­на нулю везде, кроме интервала непрерывности:

h{t)=y(t—tn)h(t), (3.1)

где

V ( t—tn) = 1 при tn<t<tn+1 и О при ^„+1 < t < tn

— единичный импульс (рис. 3.5):

соп=2я/7’„

— частота квантования.

Сумма импульсов на любом отрезке времени предста­вит точно выходную функцию УВК двойной суммой —сту­пенчатым рядом Фурье:

f (О ^пср + 2 2 Ank $ in {kmnt+?„).

п п k= 1

Переставив порядок суммирования, представим выход УВК в виде бесконечной суммы ступенчатых гармоник, в которых не только амплитуды, но и частоты и фазы

суть ступенчатые функции времени:

/(0 = 2 ^пср2 2^"* s'n

/г £=1 /г

Границы между импульсами определяются множеством точек, которые образуют сеточную функцию, заданную управлением.

Из всех ступенчатых составляющих гармоник в любом УВК практическую ценность представляет только одна «полезная» составляющая, воспроизводящая изменение входного управляющего сигнала УВК. Все остальные coj ставляющие дают в сумме вредные искажения квантова* ния, которые стремятся, по возможности, уменьшить.

Все УВК следует разделить на два принципиально раз-, личных класса: синхронные и асинхронные.

У синхронных УВК частота квантования постоянна й кратна частоте сети

fK=fcm,

где т число фаз на выходе УВК.

Управление осуществляется изменением фазы контакт-! ных точек сеточной функции относительно питающего на­пряжения.

У асинхронных УВК входная и выходная частоты неза-і висимы (входная частота может быть равна нулю) а управление осуществляется изменением частоты контакт­ных точек функции x(t) (рис. 3.6).

На синхронных УВК строятся выпрямители и ведомые

Инверторы с естественной коммутацией, на асинхронных— непосредственные преобразователи и автономные инвер­торы.

Совокупность последовательности импульсов неповто­ряющихся вентилей образует цикл коммутации. Число им­пульсов («пульсов») в цикле равно т. Это число называют также периодичностью УВК. На рис. 3.7 показаны схема трехфазного мостового УВК (т—6) с нумерацией венти­лей в порядке их включения и цикл их чередования.

Цикл коммутации удобно записывать в виде таблицы состояния вентилей 1—6 по интервалам /—VI. На основа­нии такой таблицы можно построить матрицу и тензор преобразования входных величин УВК в выходные, а так­же соответствующие коммутационные функции x(t)

Управление формой и значением импульсов осущест­вляется путем смещения во времени моментов квантова­ния, т. е. включения и выключения вентилей УВК. В зави­симости от характера квантуемой функции это смещение моментов квантования может носить характер фазовой модуляции в УВК выпрямителей и частотной в УВК ин­верторов. При этом возможны два случая:

1) все точки сеточной функции заданы управлением (выпрямитель с вентилями неполного управления при иде­альной коммутации непрерывных токов, автономный ин­вертор с принудительной коммутацией или вентилями пол­ного управления);

2) точки включения вентилей заданы управлением, а расположение точек выключения вентилей зависит не от

управлений, а от впутрённйх процессов в сйстейё (выпря - мители с учетом реальной коммутации и в области преры­вистых ТОКОВ).

Таким образом, управляющая информация передается вентильному коммутатору только сеточной функцией вклю­чення вентилей, и только сеточная функция передает ин­формацию управления. В интервалах между точками се­точной функции никакой связи между входом устройства управления вентилями и выходом УВК нет. В этом и за­ключается глубокая, принципиальная особенность всех квазинепрерывных систем.

Здесь возникает основная задача теории квазинепре­рывных систем: восстановления непрерывной связи между управляющим сигналом и полезной составляющей на вы­ходе УВК внутри интервалов, т. е. между контактными точками. Для доопределения задачи предлагается при­влечь информационное требование минимизации искаже­ний полезной составляющей:

6 = 2 и (Опер - И°вых (0 = min.

П

В результате ступенчатая полезная составляющая сгла­живается и остается непрерывная полезная составляющая

U0Bbix{t<)==K. Uy (t) + А, где А сумма ступенчатых гармоник искажений квантова­ния плюс «остатки» после сглаживания полезной ступенча­той составляющей. Очевидно, гладкая полезная составляю­щая в каждом интервале содержит по крайней мере одну точку, точно определенную сигналом.

Составляющая искажений квантования в действитель­ности является случайной функцией, сильно коррелирован­ной с сигналом управления и зависящей от ряда других факторов. В традиционной теории вентильных систем обычно рассматриваются детерминированные кусочно-глад­кие функции полных напряжений и токов, в которых скры­ты непрерывная полезная составляющая и шумы кванто­вания.

Однако выделение полезной составляющей, как и во всех квазинепрерывных системах, отнюдь не является фор­мальным преобразованием, а выражает физическую реаль­ность [18, 20].

В случае фазового управления синхронными УВК се­точная функция управления коммутатором может быть задана аналитически уравнением вида

Fi(0—Л(0=ю(0=0. (3.3)

Здесь F(t)—управляющая функция, непрерывная или ступенчатая (в цифровых системах, в результате кванто­вания по уровню); /^(0—некоторая функция управляе­мого параметра, напряжения или тока, или вспомогатель­ная независимая функция времени; v — сеточная функция моментов открытия.

Множество значений времени tn, удовлетворяющих уравнению (3.3), и даст контактные точки сеточной функ­ции и точки разрыва коммутационной функции.