ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

ВИДЫ И СТРУКТУРА

Вентильный преобразователь частоты является основ­ной и наиболее сложной частью электропривода с частот­ным управлением асинхронных двигателей, а также син-; хронных, в частности безщеточных. '

Преобразователь частоты осуществляет преобразова­ние синусоидального напряжения сети постоянной частоты в напряжение на выводах двигателей изменяемой частоты, с целью управления работой приводимых машин путем воздействия на частоту напряжения двигателя. Таким об-< разом, преобразователь частоты выполняет одновременно' две функции: энергетическую функцию питания двигателя; и информационную — управления рабочей машиной или eej элементами.

Управление рабочей машиной осуществляется измене­нием одной из двух качественно различных переменных состояния на валу двигателя: угла поворота вала или его производной — угловой скорости и момента, развиваемого двигателем. Одна из этих переменных задается воздейст­вием управления и воспроизводит его, другая, как правило, зависит от нагрузки рабочей машины. В весьма широком классе электроприводов управляемой переменной служит скорость, а нагрузка (момент статического сопротивления) является некоторой функцией скорости.

Для надлежащего выполнения своих функций в преоб* разователях частоты осуществляется управление не только частотой напряжения, по и его амплитудой или действую­щим значением. Обе эти функции выполняются путем квантовапня во времени напряжения или тока.

Таким образом, вентильные преобразователи частоты и приводы с частотным управлением в целом представляют собой сложную квазинепрерывную систему. По определе­нию [3, 18J квазинепрерывной системой является такая система передачи и преобразования энергии и информации, в которой одна входная непрерывная величина (или систе­ма величин) преобразуется в другую непрерывную же вы­ходную величину путем квантования промежуточных пере­менных состояния во времени.

В вентильных преобразователях частоты квантование осуществляется посредством управляемых вентильных ком­мутаторов (УВК), построенных из контактных или бескон­тактных, преимущественно полупроводниковых транзистор­ных и тиристорных вентилей — ключей. По существу УВК является развитием коллектора электрических машин, так­же выполняющего преобразование частоты.

В преобразователях частоты применяются пять основ­ных видов УВК:

1. Преобразователи периодического тока в постоян­ный-— УВК выпрямления.

2. Преобразователи постоянного тока в периодический— УВК инвертирования.

3. Двойные преобразователи — периодического тока в постоянный и постоянного в периодический — обратимые

УВК.

4. Преобразователи энергии одной частоты непосредст­венно в энергию другой частоты.

5. Преобразователи постоянного напряжения в постоян­ное, изменяемое время-импульсным регулированием по­средством вентильных прерывателей.

Ірсобразойание вида функций напряжения й foKa rto* средством квантования приводит к необходимости улуч­шения формы квантованных, импульсных кусочно-прерыв - пых функций — максимального приближения ее к полезной составляющей. В установившемся режиме полезной состав­ляющей преобразователей переменного или постоянного напряжения или тока в постоянное является постоянная величина, а преобразователя переменного или постоянного напряжения в переменное — синусоидальная функция вре­мени. В неустановившихся режимах в обоих случаях по­лезная составляющая модулируется управлением и в обоих случаях возникает задача подавления высших гармоник, возможно деформированных управлением.

Эта задача решается в преобразователях частоты со­четанием двух средств: в устройствах управления вентиля­ми — реализацией соответствующих логических законов, алгоритмов переключения вентилей, а в силовых цепях — использованием фильтров из индуктивностей и емкостей.

Фильтры представляют собой вторую структурную часть вентильных преобразователей.

Третьим элементом многих, но далеко не всех видов преобразователей частоты являются трансформаторы. Трансформаторы могут выполнять три функции: 1) согла­сование напряжений, 2) увеличение числа фаз напряжений и 3) электрическое развязывание цепей.

Комбинирование УВК с трансформаторами, с исполь­зованием вспомогательных элементов, например реакторов, конденсаторов, и объединение их системой управления по­зволяет строить все известные схемы преобразователей ча­стоты и электропривода.

В полной системе электропривода с частотным управ­лением можно выделить следующие энергетические («си­ловые»), структурные агрегаты, выполняющие свои, более узкие, но самостоятельные функции:

1. Выпрямители, неуправляемые и управляемые, и по­строенные на их базе обратимые и реверсивные преобра­зователи.

2. Непосредственные преобразователи.

3. Автономные инверторы.

На рис. 3.1 показаны упрощенные структуры основных видов преобразователей частоты, получивших применение в электроприводах (см. также § 5.3). Основным фактором, определяющим структуру преобразователя частоты, явля­ется способ регулирования напряжения. По этому признаку все преобразователи частоты можно разделить на два

класса: 1) непосредственного преобразования пёриодиче-1 ского напряжения частоты сети /с в периодическое напря­жение управляемой частоты /і (НПЧ на рис. 3.1,а) и 2) двухзвениые преобразователи, в которых периодическое напряжение сначала выпрямляется, а затем инвертируется (рис. 3.1,6—г).

Основное применение получили преобразователи часто­ты второго класса, необходимым элементом которых явля­ется выпрямитель.

Применяются два вида преобразователей частоты вто­рого класса, отличающиеся способом формирования и ре­гулирования напряжения, с неуправляемым выпрямителем НУВ и с управляемым выпрямителем УВ.

В преобразователях частоты с УВ регулирование ам - литуды напряжения осуществляется выпрямителем (сиг­нал хи), а регулирование частоты (сигнал Xf) и формиро­вание волн напряжения — инвертором (рис. 3.1,6).

В преобразователях с неуправляемыми выпрямителями используются две возможности. В некоторых случаях вы­прямленное напряжение регулируется с помощью тири­сторного прерывателя (ТП) изменением скважности (отно­сительной продолжительности) импульсов, вырезаемых из выпрямленного напряжения, и после сглаживания фильт­ром подается на автономный инвертор, как и в случае управляемого выпрямителя (рис. 3.1,в). Однако значитель­но большее распространение получили способы управления амплитудой напряжения, его частотой и формированием волны, в самом инверторе (рис. 3.1,г). Известны разные способы решения этой задачи, основным из них является способ широтно-импульсной модуляции выпрямленного, по­стоянного напряжения (ШИМ). Подробнее мы остановим­ся на них ниже, теперь же для примера приведем две типичные схемы преобразователей частоты — непосредст­венного и двухзвенного.

На рис. 3.2,а показана скема привода с йепосредствбй-

ным преобразователем частоты (НПЧ), построенным на основе трех мостовых трехфазных выпрямителей: / — дви­гатель, 2 — УВК преобразователя частоты, 3 —-трансфор­матор, 4 — устройство управления УВК.

ЇЇЇ

Двухзвенный преобразователь частоты представляет со­бой каскадное соединение выпрямителя через фильтр с автономным инвертором. На рис. 3.2,6 показана схема преобразователя частоты этого класса с управляемым вы­прямителем: 1 — двигатель; 2 — УВК выпрямителя; 3— фильтр; 4 — УВК автономного инвертора; 5 — устройство управления напряжением УВК 2 6 — устройство управле­ния частотой УВК 4.