Принцип действия однофазного ПЧ

В последнее время в связи с созданием мощных транзисторов с рабочим напряжением до 1000 В, способных переключать с высокой частотой токи в сотни ампер, стало возможным производство транзисторных ПЧ для асинхронных приводов с частотным регулированием. Рассмотрим принцип действия однофазного ПЧ с транзисторным ключом К (см. рис. 10.6, а). Электрическая схема трехфазного ПЧ несколько сложнее схемы рис. 10.6, т.к. для его реализации требуется шесть силовых транзисторных ключей […]), однако принцип действия ПЧ тот же самый и основывается на широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

В состав упрощенной схемы однофазного ПЧ (рис. 10.6) входят: источник постоянного напряжения Е со средней точкой, что позволяет реализовать два источника с половинным значением напряжения (Е/2), нагрузка Z_н (например, одна из обмоток АД), которая присоединяется к источнику питания с напряжением Е/2 с помощью транзисторного ключа К, переключаемого с высокой частотой из положения 1 в положение 2 и наоборот. Если время ∆t₁ нахождения ключа в положении 1 равно времени ∆t₂ нахождения ключа в положении 2, то среднее значение напряжения на нагрузке за период несущей частоты равно нулю. Когда ∆t₁ ≠ ∆t₂, то (рис. 10.6,б) среднее значение напряжения на нагрузке за период несущей частоты равно:

(10.1)

где τ = ∆t₁ + ∆t₂ – период несущей частоты; ∆t₁ , ∆t₂ – соответственно время нахождения ключа К в положениях 1 и 2.

Рисунок 10.6. К пояснению принципа действия инвертора с ШИМ: а) эквивалентная схема однофазного ПЧ с синусоидальной ШИМ; б) график напряжения регулируемой частоты в нагрузке при постоянной несущей частоте и неизменном напряжении питания

Если при постоянной несущей частоте изменить соотношения между ∆t₁ и ∆t₂ по синусоидальному закону (∆t₁ – ∆t₂)/ τ = μ sin t, то среднее значение напряжения на нагрузке за период несущей частоты также будет меняться по синусоидальному закону (u_н.ср на рис. 10.6, б) с частотой модуляции:

(10.2)

где – круговая частота модуляции (выходная частота); μ – коэффициент глубины модуляции, показывающий, в каких пределах изменяется длительность интервалов ∆t₁ и ∆t₂ в течение периода частоты модуляции.

При μ = 1 ∆t₁ и ∆t₂ изменяются от 0 до τ и амплитуда среднего значения напряжения на нагрузке равна Е/2. Таким образом, изменяя μ и , можно осуществлять независимое регулирование амплитуды и частоты напряжения на нагрузке при постоянной несущей частоте и неизменном выпрямленном напряжении (рис. 10.6, б) при формировании как однофазного, так и трехфазного переменного напряжения.

При высокой частоте модуляции (2…15 кГц) обмотки АД вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому, несмотря на то, что питающее напряжение представляет собой последовательность прямоугольных импульсов ШИМ, в обмотках статора протекают практически синусоидальные токи.

Независимое регулирование амплитуды питающего напряжения при частотном регулировании оборотов АД необходимо для того, чтобы обеспечивать номинальный режим насыщения магнитопровода АД, то есть сохранять при регулировании вольтсекундную площадь напряжения, подаваемого на обмотке статора. Это связано с тем, что вольтсекундная площадь питающего обмотки АД напряжения определяет в конечном счете величину индукции магнитного поля АД. Такой режим питания АД (или закон регулирования питающего напряжения) записывается следующим образом:

,

где Е – действующее значение ЭДС на фазе АД;

f – частота напряжения питания, вырабатываемая ПЧ.

Из этого выражения следует, что если необходимо изменить частоту f, то, соответственно, надо снизить величину действующего значения напряжения Е, чтобы отношение их оставалось «const», и наоборот.

Одной из важнейших характеристик привода с частотным регулирование по закону Е/f = const является механическая характеристика АД (зависимость оборотов или скорости вращения ротора АД от момента на валу двигателя для различных значений частоты f питающего АД напряжения), показанная на рис. 10.7 [….].

Рис. 10.7. Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном управлении по закону U/f = const, – скорость вращения ротора (об/мин)