Принцип работы регулируемого преобразователя

Блок-схема преобразователя однофазного напряжения в трехфазное управляемой частоты изображена на рисунке 3. Он состоит из неуправляемого выпрямителя сетевого напряжения, сглаживающего фильтра, инвертора постоянного напряжения в трехфазное и системы управления. Фильтр на выходе выпрямителя не только сглаживает пульсации, но и обеспечивает возврат реактивной энергии двигателя во время переходных процессов. Инвертор чаще всего выполняют по схеме трехфазного моста, состоящего из шести электронных ключей S1 – S6. Регулирование частоты и амплитуды поступающего на двигатель трехфазного напряжения осуществляется путем изменения частоты и скважности управляющих ключами импульсов, генерируемых системой управления.

Термин «векторное управление» обусловлен тем, что при непосредственном управлении моментом необходимо изменять помимо амплитуды и фазу статорного тока, т.е. вектор магнитного потока в двигателе. Этот метод, использованный в рассматриваемом преобразователе, и основан на том, что вектор магнитного потока в статоре ротора в течение одного оборота последовательно занимает показанные на рисунке 4 положения Ф₀ – Ф₃₀₀ что достигается управлением ключами, коммутирующими ток в обмотках статора, согласно таблицы 1.

Рисунок 3 – Блок-схема преобразователя однофазного напряжения в трехфазное управляемой частоты

Рисунок 4 – Вращение вектора магнитного потока в статоре ротора

в течение одного оборота

Таблица 1 – Коммутация ключей инвертора

В ней замкнутое состояние ключа обозначено знаком плюс, а разомкнутое – знаком минус. Каждый из шести ключей замкнут в течение большей части половины периода, но размыкается за некоторое время до замыкания ключа, находящегося между тем, же выводом двигателя и противоположным полюсом питающего напряжения. Этим предотвращается протекание «сквозного» тока через одновременно замкнутые ключи, когда из-за конечной скорости переключения один не успел еще разомкнуться, а второй уже разомкнулся.

Векторное управление позволяет существенно расширить интервал изменения частоты, обеспечить точность регулирования, повысить скорость реакции электропривода на управляющие воздействия. Изменения эффективного значения трехфазного напряжения в соответствии с необходимой для реализации закона управления зависимостью от частоты производятся с помощью тех же ключей. Для этого импульсы, следующие с частотой вращения, подвергаются ШИМ – дополнительно модулируются более высокочастотными импульсами изменяемой скважности. На осциллограммах, изображенных на рисунке 5 на нижней кривой, показана форма напряжения на одной из фазных обмоток двигателя (напряжение измеряется относительно средней точки «звезды», в которой соединены три обмотки).

Рисунок 5 – Осциллограммы напряжения и тока в фазной

обмотке двигателя

Ток этой обмотки – верхняя кривая. Выбросы на осциллограммах – реакция индуктивной нагрузки на импульсное напряжение.

Несинусоидальная форма подаваемого на двигатель напряжения приводит к росту энергетических потерь. Уменьшить их удается за счет усложнения закона изменения скважности ШИМ, что позволяет приблизить к синусоидальному закон изменения среднего значения формируемого инвертором напряжения в течении его периода. К сожалению, ограниченные ресурсы примененных контроллеров не позволили это сделать в рассматриваемом преобразователе.

Потери возникают и в электронных ключах инвертора. Они тем больше, чем ближе частота ШИМ к предельной рабочей частоте примененных ключей. Это следует иметь в виду при их выборе.

Обычно в качестве ключей используют транзисторы, обеспечивающие протекание тока в одном (прямом) направлении. Цепи для протекания обратного тока создают подключенные параллельно транзисторам диоды. Меньшие потери создают ключи на транзисторах с короткими переходными процессами и малым падением напряжения в открытом состоянии. Благоприятным сочетанием параметров для использования в инверторе обладают IGBT, сочетающие в себе преимущества биполярных транзисторов и униполярных (полевых) транзисторов с изолированным затвором. IGBT могут работать при частоте до 100 кГц, имеют малое падение напряжения в открытом состоянии, а в закрытом выдерживают напряжение до 1500… 1700 В.

Большой рабочий ток и устойчивость к его превышению (например, при замыкании в нагрузке) позволяют применять IGBT в системах управления мощными электроприводами.

Текст составил

доцент Н.В. Руденко