Принцип работы преобразователей частоты Пч

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принцип работы преобразователей частоты Пч

Для бесступенчатого изменения частоты вращения преобразователей в широком диапазоне применяется способ частотного управления, т.е. регулирования частоты и величины напряжения статора двигателя переменного тока. Преобразователи частоты имеют на входе напряжение фиксированной частоты сети 50 Гц, а выходе - напряжение, плавно изменяемое в требуемых пределах. Существует большое разнообразие преобразователей частоты, большинство из которых группируется по трем основным признакам: преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока, которые содержат выпрямитель и инвертор (инвертор преобразует постоянный ток в переменный с плавно регулируемой частотой); преобразователи частоты с непосредственной связью, каждый полупериод выходного напряжения которых формируется из нескольких положительных и отрицательных полупериодов напряжения сети; преобразователи частоты с промежуточным звеном переменного тока повышенной частоты, состоящие из двух преобразователей: первый преобразует сетевую частоту в повышенную и имеет однофазный или трехфазный выход, второй - полученную повышенную частоту в выходную пониженную регулируемой величины.

Преобразователи с непосредственной связью, выполненные на тиристорах без дополнительных устройств искусственной коммутации, имеют ограничение максимальной выходной частоты величиной около 20--25 Гц, что не позволяет применять их для станочных электроприводов. Преобразователи с непосредственной связью, выполненные на транзисторах, свободны от ограничения максимальной выходной частоты, но применимы только для электроприводов малой мощности и содержат большое число транзисторов. Преобразователи с промежуточным звеном переменного тока являются сложными и по этой причине не нашли применения в станочных электроприводах. В станочных электроприводах применяют, как правило, преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока (рис. 1). Термин промежуточное звено обозначает наличие цепи постоянного тока между выпрямителем и инвертором. Среднее значение выпрямленного напряжения Ud на выходе неуправляемого выпрямителя V неизменно по величине, а в случае управляемого выпрямителя среднее значение напряжения может регулироваться в соответствии с условиями работы привода. Для сглаживания пульсации выпрямленного напряжения применяют фильтр, состоящий из конденсатора Сф и дросселя L. Трехфазный мостовой инвертор (рис. 1) содержит шесть полностью управляемых ключей VI... V6, к которым подключены три обмотки статора двигателя. Известны инверторы с интервалом проводимости ключей 120 или 180 эл. градусов. Период выходного напряжения составляет 360 эл. градусов. Рассмотрим работу инвертора для интервала 120 эл. градусов.

Рис. 1. Схема ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока^

От импульсов системы управления ключи VI ...V6 поочередно открываются через 60 эл. градусов в указанной согласно их номерам последовательности (рис. 2).

Рис.2. Диаграмма напряжений инвертора

Прямоугольники напряжения соответствуют проводящему состоянию ключей.

Рассмотрим формирование напряжения на нагрузке. В интервале времени, когда проводят ключи VI и V6 (см. рис. 1), создается цепь: "+" источника - VI - А - В - V6 - "--" источника постоянного тока. Таким образом, к фазе АВ нагрузки прикладывается напряжение звена постоянного тока Ud в положительном направлении. Положительным направлением принято считать протекание тока по фазам нагрузки от А к В, от В к С от С к А. Параллельно фазе АВ подключены соединенные между собой последовательно фазы нагрузки ВС и СА, к которым в это же время прикладывается напряжение по 0,5 Ud в отрицательном направлении.

В следующем интервале 60 эл. градусов возникает цепь "+" источника - V1 - А - С - V2 - "--" источника. В это время полное отрицательное напряжение Ud прикладывается к фазе СА, к остальным двум - по 0,5 Ud в положительном направлении. Если дальше проследить работу инвертора, то можно убедиться в том, что к нагрузке, соединенной в "треугольник", прикладывается трехфазная симметричная система напряжений. Прямоугольно-ступенчатая форма выходного напряжения близка к синусоидальной. Величина этого напряжения прямо пропорциональна значению Ud, а частота определяется частотой переключения управляемых ключей инвертора. Если нагрузкой является двигатель, то при отключении фазы двигателя очередным управляемым ключом в обмотке возникает ЭДС самоиндукции. Для создания замкнутой цепи (в прежнем направлении) реактивного тока двигателя, вызванного ЭДС самоиндукции, служит обратный мост вентилей V7... V12. Предположим, что проводит V5; выключается ключ V4 и включается V6. Ток, протекающий через V4 и фазу двигателя АВ, замыкается через вентили V7, V11 и конденсатор фильтра Сф. Благодаря этому происходит затухание реактивного тока, а реактивная энергия воспринимается конденсатором фильтра Сф.

Описанный выше инвертор называется инвертором напряжения. В данном случае индуктивность дросселя фильтра намного меньше индуктивности нагрузки или дроссель совсем отсутствует. Форма выходного напряжения прямоугольно-ступенчатая, а форма выходного тока определяется формой напряжения и коэффициентом мощности нагрузки. Это объясняется тем, что на входе инвертора имеется конденсатор фильтра большой емкости, который стремится поддержать величину напряжения постоянной. Инвертор по диаграмме работы через свои ключи выдает в обмотки двигателя импульсы постоянного напряжения, из которых образуется кривая выходного напряжения инвертора; для тока двигателя есть пути замыкания через обратные вентили. Существуют инверторы тока, в которых обязательно имеется дроссель фильтра, причем его индуктивность больше индуктивности нагрузки. Кроме того, отсутствуют конденсатор фильтра и обратные вентили. Инвертор тока задает на выходе прямоугольно-ступенчатую форму тока. Дроссель фильтра стремится поддерживать постоянную величину тока. Инвертор через свои ключи питает обмотки двигателя импульсами тока. инвертор частота преобразователь

Инверторы с одно- и двухступенчатой коммутацией.

В станочных приводах нашли применение, главным образом, инверторы напряжения. Они не имеют ограничения по максимальной выходной частоте напряжения, имеют меньшие емкости коммутирующих конденсаторов, позволяют регулировать и формировать благоприятную кривую выходного напряжения. Для электроприводов средней и большой мощности вместо транзисторов используются обычные тиристоры, которые не могут запираться импульсом по управляющему электроду. Так как в инверторах тиристоры подключены к источнику постоянного напряжения, то для их запирания требуются дополнительные цепи, обеспечивающие снижение тока тиристора до нуля в требуемый момент времени. Такие цепи получили название коммутирующих, а процессы - коммутационных. Чаще применяются цепи, при которых ток тиристора снижается до нуля за счет протекания встречного тока разряда конденсатора, предварительно заряженного напряжением обратной полярности.

Различаются инверторы с одно- и двухступенчатой коммутацией. В инверторах первого типа (рис. 3) запирание выходящего из работы тиристора начинается в момент включения очередного (входящего в работу) тиристора; частота коммутаций данного тиристора равна выходной частоте инвертора. Данный тип инверторов называют также инвертором с пофазной или поочередной или однократной коммутацией. Инвертор с одноступенчатой коммутацией по наиболее простой схеме имеет недостаток: коммутирующий конденсатор часть периода подключен к нагрузке и разряжается на нее. В результате требуется большая величина емкости конденсатора для обеспечения необходимой энергии запирания тиристоров.

Рис. 3. Схемы инверторов с одноступенчатой коммутацией: а - коммутирующие дроссели расположены в шинах постоянного тока; б - последов тельное соединение коммутирующих дросселей и конденсаторов.

Для исключения указанного недостатка в схему инвертора вводятся отсекающие вентили V13... V18 (рис. 3, а), которые отключают конденсаторы от нагрузки после окончания их перезаряда (в интервалах между коммутационными процессами). Кроме того, отсекающие вентили предотвращают или уменьшают вибрации двигателя. Как будет показано ниже, такие вибрации могут возникнуть при работе двигателя от преобразователя частоты. Следует отметить, что при работе инвертора на частотах выше 400 Гц действие отсекающих вентилей ослабляется, так как время перезаряда становится соизмеримым с периодом выходной частоты.

Рассмотрим работу трехфазного инвертора, содержащего коммутирующие дроссели L1 и L2, расположенные в шинах постоянного тока между тиристорами VI ... V6 инвертора и обратным мостом вентилей V7 ... V12; коммутирующие конденсаторы С 1 ... С 6; отсекающие вентили V13 ... V1 Эта схема нашла применение для питания двигателей с номинальной частотой 50 Гц. Начнем рассмотрение работы схемы, когда проводят тиристоры VI и V2, полярность заряда коммутирующих конденсаторов С 1, СЗ, С 5 показана на рис. 63, а. Как только включается очередной тиристор V3, сразу создается контур разряда конденсатора С 1 через V3 и V1. Ток разряда направлен навстречу току нагрузки тиристора V1. Когда ток разряда возрастет до величины тока нагрузки, тиристор VI закроется. Напряжение на конденсаторе С 1 стремится к нулю, при этом к тиристору прикладывается отрицательнoe напряжение. В указанном интервале схемой предоставляется время для восстановления запирающих свойств тиристора. Затем создается контур перезаряда конденсатора С 1: "+" источника - L1]--V3--C1--C5--V17--V14--V2--L2 - "--" источника; т. е. левая обкладка С 1, предварительно заряженная до положительной полярности, теперь подключена к отрицательному полюсу источника. Так как в эту цепочку входят конденсаторы и дроссели, то перезаряд происходит колебательно. |

В процессе перезаряда ток конденсатора С 1 увеличивается до |наибольшего значения, а напряжение на конденсаторе изменяет полярность на противоположную. Перезаряд оканчивается, через дроссели L1 и L2 протекают свободно циркулирующие токи между инвертором и обратным мостом, так как ток дросселя не может мгновенно упасть до нуля. Эти токи паразитные, они дополнительно загружают тиристоры и вентили. Для более быстрого затухания токов дросселей служат резисторы R1 и R2, установленные последовательно с обратным мостом вентилей. Через каждые 60 эл. градусов характер коммутационных процессов повторяется. Коммутирующие дроссели L1 и L2 необходимы, чтобы получить требуемые значения: наибольшую величину тока, время разряда и перезаряда конденсатора.

Чтобы запереть рабочие тиристоры с определенным током нагрузки, коммутирующие конденсаторы должны иметь достаточную энергию во всем диапазоне регулирования частоты. Так как со снижением частоты двигателя необходимо понижать напряжение на входе инвертора, то соответственно уменьшается энергия коммутирующего конденсатора Wc=CU2/2 Чтобы не завышать чрезмерно величину конденсатора, во многих схемах инверторов применяют подзаряд коммутирующих конденсаторов от дополнительных источников постоянного тока. Мощность дополнительных источников мала по сравнению с мощностью преобразователя. При малых диапазонах регулирования напряжения устройство подзаряда не применяется.

В станочных приводах применяется также схема инвертора (рис. 63,6), в которой отсутствуют свободно циркулирующие токи. Назначение VI ... V18, С 1 ... С 6 то же, что и в схеме рис. З,а. Коммутирующие дроссели L1... L6 установлены последователями с коммутирующими конденсаторами. Перед очередной коммутацией ток коммутирующей цепочки равен нулю. Разберем работу схемы при запирании тиристора VI. Конденсатор С 1 заряжен до максимального значения с полярностью, показанной на рис. 63,а. При включении тиристора V3 образуется контур разряда конденсатора С 1 через тиристоры V3 и VI. Ток разряда С 1 растет и при достижении им величины тока нагрузки тиристора VI последний запирается. В этот момент времени начинает проводить ток вентиль V7 и образуется новый контур V7--V13--V3. Ток разряда конденсатора переходит через наибольшую величину, а при напряжение конденсатора меняет знак. В момент времени, когда ток конденсатора снизится до величины тока нагрузки тиристора выключится вентиль V7 и включится вентиль V10. Начинается подзаряд коммутирующего конденсатора, после которого завершаются коммутационные процессы на данном такте работы инвертора.

Инверторы с двухступенчатой коммутацией кроме основных (главных или рабочих) содержат вспомогательные (гасящие или коммутирующие) тиристоры. В инверторах с двухступенчатой коммутацией происходит независимое включение и отключение рабочих тиристоров разных фаз, запирание рабочего тиристора начинается в момент включения гасящего. Частота коммутации рабочих тиристоров не зависит от выходной частоты и может быть, равна ей или значительно превышать последнюю.

Рассмотрим одну из использующихся схем инвертора (рис.4) с гасящими тиристорами (V15...V20).

Рис.4. Схема инвертора с гасящими тиристорами

Инвертор содержит рабочие тиристоры (V1...V6), мост обратных вентилей (V7 ...V12) с резисторами R1 и R2, коммутирующие конденсаторы (С 2...С 4) и дроссели L1, L2, тиристоры подзаряда V13, V14, вентили V21, V22, которые разделяют источник подзаряда от звена постоянного тока преобразователя частоты. Источник подзаряда Un имеет нерегулируемое напряжение. Пусть в данный момент времени проводят VI, V3 и V2, через которые течет ток к двигателю. При открывании гасящего тиристора V15 начинает разряжаться конденсатор СЗ через тиристор VI. После запирания VI происходили перезаряд конденсатора С 3 через обратный вентиль V9, резистор R2, разделительный вентиль V21, коммутирующий дроссель L1, тиристор V15. По завершении перезаряда С 1 начинает проводить V4. Одновременно включаются тиристоры подзаряда V14 и повторно V15. От дополнительного источника происходит подзаряд конденсатора С 3. В следующие такты работы инвертора коммутационные процессы аналогичны.

Формирование выходного напряжения в системах с ШИР и ШИМ.

Кроме регулирования частоты, преобразователи должны также изменять выходное напряжение. Существует несколько основных способов регулирования напряжения в преобразователях частоты: напряжение регулируется в управляемом выпрямителе; между неуправляемым (нерегулируемым) выпрямителем и инвертором устанавливается прерыватель, благодаря которому регулируется напряжение; напряжение регулируется в инверторе. Во втором и третьем случаях могут применяться тиристорные выпрямители, которые служат только для бесконтактного включения и отключения силовой схемы преобразователя.

Работа управляемого выпрямителя в преобразователе частоты и в приводе постоянного тока в основном аналогична. Преобразователь частоты с управляемым выпрямителем имеет низкий коэффициент мощности на входе. Для сглаживания напряжения на выходе выпрямителя устанавливается фильтр со значительными величинами индуктивности и емкости. Последнее, кроме ухудшения массогабаритных показателей, приводит к ухудшению динамических свойств электропривода.

Второй способ регулирования напряжения свободен от указанных выше недостатков. Прерыватель (широтно-импульсный преобразователь) работает на частоте 1-2 кГц. Однако в данном случае преобразователь осуществляет тройное преобразование энергии, что также приводит к ухудшению массогабаритных и энергетических показателей.

Третий способ регулирования напряжения реализуется в инверторах, работающих на несущей частоте. Коммутация силовых управляемых ключей инвертора происходит многократно на более высокой (несущей) частоте, а кривая средних значений напряжения изменяется с более низкой частотой, являющейся выходной для инвертора. Осуществляется широтно-импульсное регулирование (ШИР), заключающееся в том, что с изменением ширины импульса на каждом периоде несущей частоты регулируются средние величины напряжения и соответственно действующая величина выходного напряжения инвертора (рис. 5,а). Кроме достоинств, присущих второму способу, преимущество данного способа состоит в том, что и регулирование частоты и регулирование напряжения осуществляется в одном блоке преобразователя частоты - в инверторе.

Недостатком данного способа является необходимость работы инвертора на высокой частоте, что предъявляет более жесткие требования к элементам преобразователя и приводит к значительным потерям в нем, особенно в случае тиристорного инвертора. При применении тиристоров необходимо использование инверторов с двухступенчатой коммутацией, содержащих вспомогательные тиристоры. В транзисторных инверторах отсутствуют дополнительные силовые элементы. Для транзисторных инверторов работа на несущей частоте в режиме ШИР предъявляет высокие требования к защитным цепочкам, в том числе к защите транзисторов от сквозных токов.

Рис. 5. Формирование выходного напряжения в системах ШИР и ШИМ:

а - диаграмма напряжения в системе с ШИР; б - диаграмма напряжений в системе с ШИМ; в - система управления инвертором ШИМ.

Для качественной работы электроприводов с широким диапазоном регулирования применяется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) или другой способ управления, обеспечивающие близкую к синусоидальной форму тока двигателя. В указанных случаях переключение силовых управляемых ключей также в изводится многократно за период выходной частоты и одновременно, как правило, регулируется напряжение в инверторе. Способ синусоидальной ШИМ (рис. 5, б) заключается в том, что ширина импульсов от периода к периоду несущей частоты изменяется по синусоидальному закону. Так, на периодах несущей частоты, соответствующих 90 и 270 эл. градусов выходной час ты, ширина импульсов максимальная, а на периодах - 0 и 180 градусов ширина минимальна. Кривая средних величин напряжения периодов несущей частоты за период выходной часто формируется по синусоиде.

Для регулирования напряжения на входе инвертора или для питания двигателя постоянного тока служат прерыватели (рис. 6). Прерыватели соединяются последовательно между нерегулируемым выпрямителем и указанной выше нагрузкой. Прерыватели работают на частоте в несколько кГц. Если силовой управляемый ключ VI (на основе тиристора или транзистора) закрыт, то выходное напряжение равно нулю. Если время открытого состояния ключа приближается к периоду несущей частоты (за вычетом времени на коммутационные процессы), то выходное напряжение максимально и оно практически равно напряжению на его входе.

Рис.6. Прерыватель:

а - диаграмма напряжений; б - силовая схема; в - схема системы управления.

При изменении ширины импульса (времени включения ключа) регулируется среднее значение напряжения за пеиод (рис. 6,а). Для получения сглаженного напряжения на выходе прерывателя служит LC-фильтр (рис. 6,б).

Шунтирующий вентиль V2 обеспечивает непрерывный ток, замыкая цепь нагрузки при размыкании ключа VI. Коммутирующие цепи тиристорного ключа такие же, как в инверторах. Чаще применяется двухступенчатая коммутация со вспомогательным тиристором.

Системы управления выпрямителями, входящие в состав преобразователей частоты, аналогичны по принципу работы с системами, используемыми в приводах постоянного тока, и здесь не рассматриваются.

Системы управления инверторами (СУИ) служат для формирования заданной последовательности импульсов включения силовых ключей инвертора, гасящих тиристоров и тиристоров подзаряда. В общем случае СУИ обеспечивает регулирование частоты, а в ряде преобразователей и регулирование напряжения, образование кривой напряжения и реверс выходных фаз. Системы управления инвертором выдают шестифазную последовательность импульсов со сдвигом 60 эл. градусов (см. рис. 2), где диаграмме проводимости силовых ключей соответствуют выходные импульсы СУИ. Типовая схема СУИ состоит из соединенных последовательно: задающего генератора (ЗГ), распределителя импульсов (РИ), формирователя длительности импульсов (ФИ) |и выходных усилителей (ВУ) (рис. 7).

Типовая СУИ работает следующим образом.

Импульсы ЗГ распределяются в шестифазную систему РИ (по числу ключей инвертора), затем формируются в ФИ по длительности (в долях от периода) в соответствии с требуемой диаграммой работы ключей инвертора и, наконец, усиливаются в ВУ по мощности, необходимой для управления ключами. В некоторых системах ФИ объединены с РИ, а в ряде других - с ВУ.

Задающие генераторы определяют плавное регулирование выходной частоты

Размещено на Allbest.ru