Лекция №1. Принципы построения систем частотно-регулируемого электропривода

Введение

Постоянное совершенствование технологий в производстве силовых полупроводниковых приборов с новыми свойствами и характеристиками позволило осуществлять преобразование электрической энергии в формах, наиболее удобных для ее электромеханического преобразования, что открыло широкие возможности для создания технически совершенных регулируемых электроприводов. Замена устаревших способов регулирования скорости позволяет не только обеспечить экономию электроэнергии, но и существенно улучшить технологические показатели работы всего оборудования в целом. Самое широкое применение в этой сфере нашли полупроводниковые преобразователи частоты и созданные на их базе частотно-регулируемые электроприводы (ЧРП). Имея в своем составе простой и надежный асинхронный электродвигатель, эти электроприводы стали вытеснять электроприводы постоянного тока даже из традиционных областей их применения, таких как станкостроение. Имея в своем составе микропроцессорные системы управления эти электроприводы легко встраиваются в автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП).

Около 65% электроэнергии в промышленности, электроэнергетике и др. отраслях расходуется асинхронными электроприводами насосов и вентиляторов, работающих с постоянной частотой вращения. И нет ничего удивительного в том, что непрерывно растет число предприятий, рассматривающих применение электроприводов с регулируемой частотой вращения как ключ к энергосбережению, повышению рентабельности и конкурентоспособности предприятия, улучшению экологической обстановки.

Лекция №1. Принципы построения систем частотно-регулируемого электропривода

Цель лекции: изучить принципы построения силовых схем преобразователей частоты, применяемых в электроприводе.

Как известно, применение преобразователей частоты (ПЧ) для управления асинхронным двигателем является наиболее экономичным способом плавного регулирования частоты вращения. При этом двигатель во всем диапазоне регулирования работает с малой величиной скольжения ротора (малыми потерями скольжения), сохраняет высокий коэффициент полезного действия (КПД) и хорошую «жесткость» механических характеристик, может работать в двигательном и генераторном режиме.

Такие устройства преобразуют электроэнергию питающей сети в электроэнергию с требуемыми значениями напряжения, тока и частоты в два этапа. На первом этапе с помощью выпрямителя производится преобразование тока и напряжения сети с частотой 50 Гц в постоянные ток и напряжение. На втором этапе постоянные ток и напряжение преобразуются в переменные, но уже с новыми, требуемыми для обеспечения желаемого режима работы электродвигателя значениями тока, напряжения и частоты. Это преобразование осуществляется специальными устройствами – автономными инверторами. Автономным инвертор назван потому, что его работа не связана непосредственно с питающей сетью. Автономный инвертор может работать, например, и от аккумуляторной батареи, а не только от сетевого выпрямителя. По принципу построения силовой схемы такие инверторы делятся на два типа – инверторы напряжения и инверторы тока.

Если автономный инвертор получает питание от источника напряжения, т.е. от источника с малым внутренним сопротивлением (аккумуляторная батарея, выпрямитель с ёмкостным фильтром), то на его выходе при переключении силовых полупроводниковых «ключей» может быть получено переменное напряжение в форме последовательности разнополярных прямоугольных импульсов. Первая гармоника такой последовательности должна соответствовать требуемому значению выходного напряжения. Такой инвертор называется автономным инвертором напряжения (АИН). При работе АИН на реактивную нагрузку должна быть обеспечена возможность обмена реактивной энергией между нагрузкой и источником постоянного напряжения, для чего параллельно входу АИН устанавливается конденсатор достаточно большой емкости, а встречнопараллельно переключающей схеме АИН подключается так называемый обратный выпрямитель. Это позволяет току в нагрузке протекать со сдвигом по фазе по отношению к напряжению.

Для АИН характерны однозначная зависимость выходного напряжения от входного и практическая независимость выходного напряжения от изменения нагрузки и ее коэффициента мощности. Это является существенным достоинством АИН при работе на двигатель переменного тока и обусловливает предпочтительное использование АИН в разомкнутых системах управления скоростью двигателей переменного тока и при питании группы двигателей. Типичная схема АИН с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для электроприводов малой и средней мощности изображена на рисунке 1.1.