Двухзвенный ПЧ с автономным инвертором напряжения

Состоит из трех основных элементов: выпрямителя (В), автономного инвертора напряжения (АИН) и промежуточного контура постоянного тока, включающего конденсатор С, который является источником реактивной мощности для двигателя (рисунок 2.10). В ПЧ этого типа происходит двукратное преобразование электрической энергии: сначала переменное напряжение с частотой f₁ выпрямляется, а затем постоянное напряжение U_d преобразуется (инвертируется) АИН в переменное с заданной амплитудой первой гармоники U_21m и частотой f₂. В качестве ключевых элементов в АИН в настоящее время практически всегда используются транзисторы.

Рис. 2.10. Двухзвенный ПЧ с АИН.

На рисунке 2.11 показана схема ПЧ, в котором АИН выполнен на биполярных транзисторах с изолированным затвором. Здесь показаны только основные силовые элементы ПЧ, необходимые для процесса преобразования.

Рис.2.11. Транзисторный АИН.

Принцип инвертирования напряжения АИН состоит в следующем. В каждой фазе АИН всегда открыт один из двух ключевых элементов, и потенциал фазы на выходе АИН всегда равен потенциалу положительной или отрицательной шины на входе АИН. Таким образом, амплитуда линейного напряжения на выходе АИН всегда равна входному напряжению U_2m = U_d. Частота выходного напряжения однозначно определена частотой переключения транзисторов и для ЭП не имеет ограничения сверху, так как у мощных современных транзисторов достигает значения f_max = 20 – 40 кГц, поэтому в ПЧ с АИН для формирования выходного напряжения с заданными частотой f₂ и амплитудой первой гармоники U_21m исключительное применение находит способ широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжения с постоянной частотой коммутации, или с переменной частотой коммутации в системах прямого цифрового управления моментом.

Частота, форма и амплитуда модулирующего напряжения при ШИМ определяют форму гладкой составляющей напряжения на выходе АИН, амплитуду первой гармоники U_21m и ее частоту f₂. Для получения синусоидальной гладкой составляющей выходного напряжения форма модулирующего напряжения может быть также синусоидальной. Но линейное напряжение на выходе АИН с ШИМ в бестрансформаторной схеме при этом равно (первая гармоника):

U₂₁ = U₁µ/2, (2.71)

т.е. даже при µ = 1 U₂₁ = 0,87U₁, и двигатель ЭП не может быть использован в номинальном режиме. Поэтому модулирующее напряжение u_м обычно имеет форму, соответствующую уравнению:

u_м = µ(sin ω₂t + 0,13ω₂t)/0,87 (2.72)

На рисунке 2.11 модулирующее напряжение показано для трех значений коэффициента модуляции µ = 0,1; 0.5; 1,0. Линейное напряжение (первая гармоника) на выходе ПЧ в этом случае при µ = 1 равно сетевому напряжению на входе U₂₁ = U₁. А благодаря трехпроводной системе подсоединения двигателя к ПЧ третья гармоника отсутствует и в линейном, и в фазном напряжении.

Рис. 2.12. Модулирующее напряжение транзисторного АИН.

Формы линейного напряжения и линейного тока при работе ПЧ с АИН на нагрузку с отстающим коэффициентом мощности приведены на рисунке 2.13. При регулировании частоты f₂ и напряжения u₂ изменяется скважность импульсов, частота которых равна частоте переключения f_к (коммутации) транзисторов в АИН, а их амплитуда остается постоянной и равной U_d. Гармонический состав выходного напряжения при его регулировании от нуля до максимального значения (µ = 0 – 1) соответствует графикам, показанным на рис. 13, где f_к – частота переключения (коммутации) транзисторов в АИН; f_к* = f_к/f₂ – ее относительное значение; ν = f_ν/f₂ – относительные частоты гармонических составляющих; U_νm* = U_νm/U_21m – относительные амплитуды гармонических составляющих по отношению к максимальной амплитуде (µ = 1) первой гармоники. Частота коммутации транзисторов f_к выбирается обычно равной 3 – 6 кГц, так как с ее увеличением растут потери в АИН, а с уменьшением – в двигателе, и для значений выходной частоты f₂ < 60 Гц относительная частота коммутации f_к* > 50.

Характерные особенности спектра выходного напряжения ПЧ с АИН:

- амплитуда первой гармоники напряжения при изменении коэффициента модуляции (µ = 0 – 1) линейно возрастает от нуля до максимального значения (U_1* = 0 – 1);

- наибольшие амплитуды имеют гармонические составляющие напряжения, частоты коммутации которых практически равны частоте коммутации транзисторов в АИН;

- гармонические составляющие низкочастотной области спектра (ν = 5,7,11…) пренебрежимо малы.

Рис. 2.13. Линейные напряжения и ток на выходе ПЧ с АИН.

Гармонические составляющие напряжения столь высоких частот из-за фильтрации индуктивностями рассеяния обмоток двигателя не создают больших гармонических составляющих в выходном токе АИН, и его форма близка к синусоидальной даже при отсутствии фильтров на выходе ПЧ. Однако такие фильтры используются для уменьшения скорости изменения напряжения на обмотке двигателя (чаще при мощности двигателя 50 кВт и более) и для уменьшения перенапряжений на выходе ПЧ при работе на длинный соединительный кабель (30 м и более).

В ПЧ с АИН невозможен обмен реактивной энергией с питающей сетью, и реактивная составляющая тока двигателя циркулирует в контуре электродвигатель – АИН – входной конденсатор С, наличие которого вместе с диодами, шунтирующими в обратном направлении транзисторы АИН, является обязательным для схемы инвертора напряжения.

Схема с АПЧ, показанная на рисунке 2.11 – нереверсивная из – за нереверсивности выпрямителя. При возникновении режима генераторного торможения избыточная энергия идет на заряд конденсатора С, напряжение на котором нарастает лавинообразно, и для предотвращения аварии используется защита, контролирующая это напряжение. Возможны схемные решения с использованием диодно – тиристорного или тиристорного реверсивного выпрямителя. Но в промышленных установках такие схемы применяются очень редко. Если же в системе ЭП может возникать необходимость экстренного торможения, то используется схема ПЧ с дополнительным транзистором и тормозным резистором, который устанавливается вне корпуса ПЧ (рисунок 2.14, а). Управление транзистором, включающим тормозной резистор, может быть организовано автономно от управления АИН с контролем абсолютного значения напряжения U_d (рисунок 2.14, б), где U_вкл и U_откл – уровни срабатывания порогового элемента, управляющего тормозным транзистором, t_вкл и t_откл – соответственно время его включенного и отключенного состояний.

Коэффициент мощности ПЧ с АИН благодаря нерегулируемому выпрямителю на входе близок к единице k_м = 0,92 – 0,96. Во время работы из сети потребляется в основном активная мощность нагрузки ЭП и мощность потерь в ПЧ и в электродвигателе. Поэтому входной ток уменьшается при уменьшении выходной частоты и выходного напряжения и равен:

I_ВХ ≈ µI₂cosφ₂₁/η, (2.73)

где η – КПД ПЧ.

Рис. 2.14. Процесс торможения в ЭП, выполненном на основе ПЧ с АИН:

а – включение тормозного резистора в ПЧ с АИН; б – входное напряжение

АИН при релейном управлении тормозным транзистором.

Основные достоинства ПЧ с АИН:

- широкий диапазон выходных частот (от 0 до 1000 Гц и более);

- возможность формирования необходимой кривой тока (обычно синусоидальной);

- простота силовой схемы ПЧ. Недостатки ПЧ с АИН:

- нереверсивность при выполнении по основной схеме;

- большая скорость изменения напряжения на обмотке двигателя.