Преобразователи частоты для электропривода

Известны два, принципиально отличающиеся друг от друга, виды преобразователей частоты для электропривода:

1) непосредственный преобразователь частоты (НПЧ);

2) преобразователь частоты со звеном постоянного тока.

НПЧ формирует низкую частоту из полуволн разных фаз частоты тока 50 Гц. Каждая фаза преобразователя содержит 6 тиристоров. С помощью системы управления тиристора поочередно включаются в сеть, формируя из полуволн трех фаз период Т новой частоты (рисунок 6.13).

Рисунок 6.13. Схема непосредственного преобразователя частоты (а) и форма напряжения выходной частоты (б).

Выходная частота НПЧ определяется выражением:

. (6.14)

где i – число полуволн напряжение частоты 50 Гц.

Минимальное число полуволн напряжения составляет i=3. Тогда Следовательно, НПЧ обеспечивает на выходе частоту тока менее 16, 6 Гц. Поскольку уменьшение частоты тока приводит к уменьшению индуктивного сопротивления обмоток (X=ω L=2π f₂·L), то к их подводится пониженное напряжения и нужен в схеме рисунка 6.13 трансформатор TV.

Достоинства НПЧ:

1) однократное преобразование мощности, следовательно, высокий КПД (0, 97 – 0, 98);

2) независимое (от частоты тока) регулирование напряжения путем изменения угла включения вентилей;

3) обеспечивает возможность генераторного торможения;

4) коммутация тиристоров производится напряжением сети (естественным путем).

Недостатки НПЧ:

1) ограниченный диапазон частоты (менее 16, 6 Гц);

2) большое число тиристоров (16 и более), следовательно, большая масса трансформатора и преобразователя. Например, НПЧ – 1 имеет параметры: мощностью 5 кВт; f₂ =0 – 8 Гц; масса 750 кг;

3) невысокий cosφ (менее 0, 8).

Этот тип преобразователя частоты может быть применен с тихоходным специальным безредукторным двигателем, например, шаровой мельницы, требующей низкой частоты вращения, соответствующей частоте тока 12 – 15 Гц. В сельском хозяйстве таких установок нет.

Преобразователь частоты со звеном постоянного тока получил широкое применение.

Он состоит из выпрямителя В, дросселя L и конденсатора С в цепи выпрямленного тока, инвертора U, преобразующего постоянный ток в переменное (рисунок 6.14). ПЧ имеет также микропроцессорную систему управления СУ, блок питания БП, пульт управления ПУ, узел торможения УТ, встроенный или отдельно расположенный тормозной резистор R_Т, блок гальванической развязки (БГР) и блок ввода (вывода) БВВ. Кроме этого, ПЧ приспособлен к задачам автоматизации технологических процессов. Он содержит (пропорционально интегральный дифференциальный) регулятор, на вход которого можно подключить интеллектуальные датчики технологических величин, имеющие стандартные выходы 4 – 20 мА или 0 – 5 В. Кроме этого, ПЧ обеспечивает защиту двигателя по току или по температуре, если использовать встроенные в двигатель позисторы. Он имеет также встроенные блоки сигнализации отключения.

ПЧ выпускаются мощностью от долей кВт до сотни кВт.

Новополоцкий завод «Измеритель» (Витебская обл.) выпускает ПЧ мощностью до 65 кВт.

Рисунок 6.14. Блок – система преобразователя частоты (а) и инвертора (б) В – выпрямитель; L – дроссель; С – конденсатор; ДТ – датчик тока; УТ – узел торможения; Rт – тормозной резистор; И – инвертор; БП – блок питания; СУ – система управления; ПУ – пульт управления; БГР – блок гальванической развязки; БВ/В – блок ввода – вывода; ПИД – резистор; БС – блок сигнализации.

Сердце ПЧ – его инвертор. Он содержит три UВGT модуля, имеющих по два силовых транзистора с отсекающими диодами, включенными встречно (рисунок 6.14, б).

Изобразим на рисунке 6.15 модуль одной фазы инвертора, в которой ключ SA, будет моделировать включение и отключение силовых транзисторов одной обмотки.

Для формирования тока частотой f₂ используется принцип широтно – импульсной модуляции (ШИМ). Частота переключений транзисторов – от 2 кГц до 20 кГц. Пусть будет период модуляции τ (рисунок 6.15). Переключают SA в положение 1 на время Δ t₁ . Потом переключают SA в положение 2 на время Δ t₂, причем Δ t₁ +Δ t₂ = τ. Если Δ t₁ = Δ t₂ , то среднее напряжение на нагрузке равно нулю.

Если Δ t₁ ≠ Δ t₂, то, в зависимости от соотношения времени включенного состояния будет преобладать на обмотки напряжения положительное или отрицательное.

Если при постоянной … частоте изменять соотношение Δ t₁ и Δ t₂ по синусоидальному закону (уравнение 6.15), то среднее напряжения на нагрузке за период выходной частоты будет изменятся по синусоидальному закону (уравнение 6.16):

(6.15)

(6.16)

Таким образом, изменяя μ и ω можно независимо регулировать амплитуду и частоту напряжения на выходе преобразователя.

Рисунок 6.15. Модель IBGT модуля одной фазы (а) и напряжения на обмотке и ток при широтно – импульсной модуляции (б).

Обмотка двигателя имеет большую индуктивность и благодаря этому обладает фильтрующими свойствами. Форма тока в обмотках близка к синусоидальной.

ПЧ могут работать по законам скалярного и векторного управления.

При скалярном управлении ПЧ изменяет выходное напряжение согласно выбранной вольт-частотной характеристики.

При векторном управлении система управления отслеживает напряжение на обмотках, ток двигателя и сдвиг фаз между ними, и согласно математической модели двигателя рассчитывает скольжение и положение ротора. На основании этих данных в каждый момент времени генерируется соответствующие выходные сигналы. Благодаря этому двигатель может работать с полным моментом при близких к нулю частотах, точно поддерживая скорость вращения при переменной нагрузке без датчиков обратной связи.

Преимущество ПЧ:

1) обеспечивает плавное регулирование частоты тока от 0, 1 Гц до 400 Гц;

2) обеспечивает плавный пуск и торможение за программируемое время;

3) обеспечивает также многоступенчатое изменение скорости;

4) обеспечивает защиту двигателя по току;

5) обеспечивает цифровую индикацию некоторых параметров;

6) имеет высокий КПД, малую мощность и габариты;

7) обеспечивает передачу параметров состояния при подключении интерфейса.

Недостаток ПЧ: 1) не обеспечивает передачу электрической энергии в сеть при генераторном торможении. Хотя этот недостаток временный.