Асинхронный электропривод на основе ПЧ с АИН с широтно-импульсной модуляцией

Наиболее распространенным типом преобразователя частоты с ШИМ является преобразователь с неуправляемым выпрямителем напряжения в звене постоянного тока. При этом напряжение на входе инвертора не меняется, а регулирование выходного напряжения осуществляется методом широтно-импульсной модуляции. Такие выпрямители выпускаются рядом электротехнических фирм с начала 90-ч годов двадцатого века, когда производители мощных полупроводниковых приборов освоили выпуск биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). IGBT представляют собой p - n- p - транзистор, управ­ляемый через высоковольтный n-канальный полевой транзистор. При необходимости используется параллельное соединение тран­зисторов или гибридные модули. К достоинствам IGBT относятся: высокая допустимая плотность тока; управление напряжением, как у МОП-транзисторов; практически прямоугольная область бе­зопасной работы, исключающая необходимость формирования тра­ектории переключения, низкие потери в импульсном режиме. Пе­речисленные качества обусловили широкое применение IGBT в современных преобразователях с ШИМ.

Принцип ШИМ проще всего пояснить на примере однофазного инвертора, получающего питание от источника постоянного на­пряжения со средней точкой, структура которого показана на рис. 6.27.

Активно-индуктивная нагрузка включена между средней точ­кой источника питания и точкой соединения электронных ключей 1 и 2, каждый из которых включает в себя транзистор, работаю­щий в ключевом режиме и диод обратного тока. Система управле­ния транзисторными ключами содержит в своем составе нуль-орган (НО) и формирователи Ф1 и Ф2. На входе нуль-органа сравнивают­ся задающий сигнал (здесь и далее индексом «звездочка» отмече­ны задающие сигналы) и пилообразное опорное напряжение .

Если > , т.е. разность ( - ) положительна, то сигнал на выходе нуль-органа положителен и на выходе формирователя Ф1 существует положительный сигнал , замыкающий ключ 1, т.е. открывающий соответствующий транзистор. К нагрузке оказывает­ся приложенным напряжение 0,5 , у которого слева «плюс», а справа — «минус» и которое будем считать положительным. При отрицательной разности ( - ) замыкается ключ 2 и напряже­ние на нагрузке становится отрицательным и равным -0,5 . На рис. 6.28,а показаны симметричное пилообразное опорное напряжение с максимальным значением и напряжение зада­ния , которое предполагается постоянным в течение периода опорного напряжения. В нижней части рисунка приведены состояния сигналов , и и форма напряжения на выходе ин­вертора . Среднее значение напряжения на выходе определяется следующим образом:

Рис. 6.27. Структура однофазного инвертора с широтно-импульсной модуляцией

(6.33)

где интервалы замкнутого состояния ключей 1 и 2 соответственно; - период широтно-импульсной модуляции, с; - частота ШИМ, Гц.

Рис. 6.28. Характеристики передаточного коэффициента инвертора: а – напряжения опорное и задания; б – регулировочная характеристика инвертора

Из подобия треугольников и для рабочей части характеристики инвертора, когда , может быть записано

. (6.34)

Отсюда с учётом приведённого выше выражения (6.33) для следует, что

, (6.35)

где – передаточный коэффициент инвертора в линейной части характеристики, когда , .

Из регулировочной характеристики инвертора (рис. 6.28,б) видно, что должно быть предусмотрено ее ограничение на уровне , так как для получения неискаженного напряжения на выходе задающий сигнал не должен превышать максималь­ного значения опорного напряжения . В системе управления инвертором должна существовать кратковременная задержка между размыканием одного ключа и замыканием другого для восстанов­ления запирающих свойств транзистора, выходящего из работы.

Если управляющий сигнал представляет собой синусоиду с частотой , то напряжение на выходе инвертора, рассматрива­емое за время , будет представлять собой гармониче­скую кривую, содержащую наряду с первой гармоникой, которая имеет частоту управляющего сигнала, ряд гармонических состав­ляющих более высокого порядка. Таким образом, если амплитуда не превышает значения , то первая гармоника напряже­ния на выходе инвертора в определенном масштабе повторяет уп­равляющий сигнал. Изменение его частоты приводит к изменению частоты на выходе инвертора. Изменение амплитуды управ­ляющего сигнала при неизменной частоте будет приводить к из­менению соотношения длительностей положительных и отрица­тельных импульсов напряжения на выходе, т.е. изменению амп­литуды его первой гармоники. Это иллюстрирует рис. 6.29, где для упрощения и наглядности построения принято, что частота опор­ного напряжения всего в 12 раз превышает частоту управляющего сигнала. На самом деле в современных инверторах частота опор­ного напряжения (частота ШИМ) составляет от единиц до десят­ков килогерц при номинальной частоте напряжения на выходе инвертора - 50 Гц. При высокой частоте ШИМ и активно-индуктивной нагрузке, какой является обмотка статора, ток нагрузки оказывается практически синусоидальным.

Однако надо учитывать и ряд отрицательных эффектов, свя­занных с повышением частоты ШИМ, а именно наличие элект­ромагнитных помех, воздействующих на другие электротехничес­кие и радиотехнические устройства, и возникновение перенапря­жений в цепи нагрузки, что опасно для изоляции обмоток двига­теля. Средства борьбы с этими явлениями состоят в использова­нии двигателей с повышенным качеством изоляции, в примене­нии экранированных кабелей и специальных фильтров, в ограни­чении длины коммуникаций, а также в раздельной прокладке си­ловых кабелей и кабелей системы управления.

Рис. 6.29. Принцип широтно-импульсной модуляции на примере однофазного инвертора

Схема трехфазного мостового инвертора (рис. 6.30) включает в себя три плеча с транзисторными ключами, каждое из которых выполнено аналогично плечу однофазного инвертора (см. рис. 6.27). К средним точкам каждого из плеч подключено начало фазной обмотки статора двигателя, если обмотки статора соединены звез­дой, как это показано, на рис. 6.30 или угол треугольника, если обмотки соединены треугольником. Схема включает в себя общий для всех трех фаз источник пилообразного опорного напряжения . Управляющие сигналы представляют собой трех­фазную систему синусоидальных напряжений, сдвинутых между собой на 120°. Изменение частоты напряжения на выходе инвер­тора достигается изменением частоты управляющих сигналов, а изменение амплитуды — изменением их амплитуды. На рис. 6.31 показано, как формируется трехфазное напряже­ние на фазах нагрузки, соединенной в звезду. На рисунке заштри­хованными горизонтальными линиями отмечены состояния сиг­налов а следовательно, и замкнутые состояния ключей 1—6. Их зависимость от знаков разностей

Рис. 6.30. Асинхронный электропривод на основе трёхфазного инвертора напряжения с ШИМ

определена также, как это сделано при рассмотрении однофазного инвертора. Фазные напряжения на выходе могут принимать пять разных значений: +(2/3) Ud; +(1/3) Ud; 0; -(1/3)Ud; -(2/3)Ud. Для того, чтобы определить мгновенные значения фаз­ных напряжений на каждом из отрезков времени, ограниченном вертикальными штриховыми линиями, проведенными из точек пересечения кривых с графиком опорного напряже­ния , нужно воспользоваться данными табл.6.1. Так, на край­нем левом промежутке времени ( см. рис.6.31) замкнуты ключи 2, 4 и 6, чему соответствует равенство нулю напряжений на выхо­де: . На следующем за ним промежутке времени замкнуты ключи 5, 6 и 1. При этом = -(2/3)Ud; = (1/3) Ud и т.д.

Рис. 6.31. Формирование напряжения на выходе АИН с ШИМ

Линейное напряжение между фазами А и В определено как .Можно отметить, что алгоритм работы рассматри­ваемой схемы, также как и алгоритм работы однофазного инвер­тора, исключает возможность одновременного замыкания обоих ключей одного плеча моста. Кроме того, в графиках напряжения имеются участки, на которых замкнуты одновременно все четные или все нечетные ключи, в результате чего значения напряжения на этих участках равны нулю. При равенстве амплитуды задающего сигнала максималь­ному значению опорного напряжения амплитуда первой гар­моники напряжения на выходе инвертора равна 0,5 .

Для наглядности график напряжений построен при том же соотношении частоты ШИМ и частоты напряжения на выходе инвертора , что и при рассмотрении однофазного инвертора (см. рис. 6.29). Сказанное ранее о влиянии высокой частоты ШИМ справедливо и для трехфазного инвертора.

Описанная схема инвертора с явновыраженным пилообразным опорным напряжением может быть реализована как в аналоговой форме, так и в цифровой форме с применением микропроцессорной техники.

Наряду с рассматриваемыми преобразователями частоты со звеном постоянного тока с амплитудно-импульсной модуляцией и широтно-импульсной модуляцией, разработаны и применяются алгоритмы векторной широтно-импульсной модуляции, а также преобразователи частоты с автономными инверторами тока.