Асинхронный электропривод на основе ПЧ с АИН и управляемым выпрямителем

Принципиальная схема асинхронного ЭП с трёхфазным автономным инвертором напряжения АИН и управляемым выпрямителем УВ представлена на рис. 6.24.

Рис. 6.24 Принципиальная схема асинхронного электропривода с ПЧ-АИН

Наиболее распространённой схемой силовой части инвертора АИН является трёхфазная мостовая схема, состоящая из шести управляемых ключей 1…6. Эти ключи должны обладать двусторонней проводимостью. Транзисторы IGBT с обратными диодами D1-D6 обеспечивают протекание тока от плюса напряжения к минусу через нагрузку (обмотки статора АД). Обратная проводимость обеспечивается обратными диодами, включенными параллельно транзисторам. Они обеспечивают протекание обратного тока в процессе коммутации и в тормозном режиме двигателя.

Управление частотой на выходе инвертора осуществляется путём воздействия на систему управления инвертора СУИ, в которой сигнал задания частоты преобразуется в длительность сигналов управления, подаваемых на транзисторы инвертора в соответствии с установившимся алгоритмом. Значение амплитуды напряжения переменного напряжения на выходе инвертора определяется значением выпрямленного напряжения , из которого формируется выходное напряжение инвертора. Оно задаётся сигналом на входе системы управления выпрямителем. В случае неуправляемого выпрямителя , где - линейное напряжение питающей сети.

Диаграмма состояния ключей инвертора при угловой длительности замкнутого состояния ключей (открытого состояния транзисторов, работающих в ключевом режиме), равной , представлена на рис. 6.25. Согласно этой диаграмме в каждый момент времени замкнуты три ключа. Длительность такого состояния можно оценить в радианах , в градусах 60˚, во времени . Длительность 60-ти градусного периода в единицах времени определяется заданной частотой .

Изменение сигнала задания частоты на входе системы управления инвертором (СУИ) приводит к изменению этой длительности , т.е. к изменению частоты напряжения на выходе инвертора.

Последовательность замыкания ключей 1-2-3-4-5-6 соответствует определённому направлению вращения двигателя. Для его изменения эта последовательность должна быть изменена на обратную. Из диаграммы очевидно, что существует шесть ненулевых состояния ключей, при которых всегда замкнуты два чётных и один нечётный или один чётный и два нечётных ключа.

Кроме них могут ещё использоваться два нулевых состояния, при которых замкнуты ключи 1-3-5 или 2-4-6 и когда все три фазы статора замкнуты на положительный или отрицательный полюс выпрямителя УВ, что соответствует нулю напряжения на нагрузке.

Все восемь состояний ключей показаны в таблице 6.1, в которой указаны номера замкнутых ключей, схема включения обмоток фаз статора в предположении, что обмотки соединены звездой, и значения фазных напряжений. В каждом из шести ненулевых состояний две обмотки статора, соединённые параллельно, включены последовательно с третьей обмоткой. Поэтому на соединённых параллельно обмотках действует напряжение, равное 1/3 , а на обмотке, соединённой с ними последовательно 2/3 . На рис. 6.26 показаны фазные напряжения , значение которых на каждой шестой части периода определяется в соответствии с таблицей 6.1. Там же приведено одно из линейных напряжений , определяемое как .

Рис. 6.25. Диаграмма состояния ключей инвертора

Поскольку выходное напряжение инвертора формируется из напряжения на выходе выпрямителя, изменение в результате изменения сигнала управления на входе СУВ приводит к пропорциональному изменению напряжения на выходе преобразователя частоты. Это один из способов осуществления законов частотного регулирования, заключающийся в том, что при изменении частоты необходимо изменять и напряжение.

В случае реверсивного управляемого выпрямителя (с двусторонней проводимостью) при уменьшении частоты на выходе инвертора или при увеличении скорости двигателя до значения, превышающего скорость идеального холостого хода в результате действия активного момента на валу, двигатель переходит в режим рекуперативного торможения. Если выпрямитель выполняется как нереверсивный, или неуправляемый, то он бы не пропускал поток активной мощности от двигателя в сеть. Поэтому в этом случае для обеспечения режима динамического торможения в схеме необходимо предусмотреть тормозной резистор. При возникновении условий для торможения двигателя транзисторный ключ 7 замыкается и энергия рассеивается в тормозном резисторе.

Напряжение, подводимое к статору двигателя несинусоидальное, и линейное напряжение может быть представлено в виде суммы гармонических составляющих, не содержащих гармоник, кратных двум и трём

,

.

Первая гармоника линейного напряжения имеет амплитуду, равную .

Амплитуда первой гармоники напряжения фазы составляет .

Несинусоидальность выходного напряжения приводит к неси­нусоидальному характеру тока в статорных обмотках и пульсаци­ям момента двигателя. Эти пульсации особенно сильно проявля­ются при пониженной частоте и небольшом моменте инерции механизма, который приводится в движение приводом. Тогда они вызывают неравномерность вращения двигателя, а иногда и воз­никновение шагового режима, когда двигатель вращается с оста­новками. Таким образом, несинусоидальный характер напряже­ния на выходе выпрямителя накладывает ограничение на возмож­ный диапазон регулирования скорости привода. Кроме того, на­личие высших гармоник в кривой тока статора вызывает увеличе­ние потерь энергии по сравнению со случаем питания двигателя синусоидальным напряжением. Поэтому в последнее время полу­чили наибольшее распространение преобразователи частоты со звеном постоянного тока, в которых форма тока статора, близкая к синусоидальной, достигается применением инверторов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Таблица 6.1

Схемы включения обмоток статора при разных состояниях ключей инвертора и значения фазных напряжений

Рис. 6.26. Форма напряжений на выходе инвертора